Pour surveiller l’état des machines à mouvement alternatif, également appelées compresseurs à pistons, des méthodes traditionnelles de mesure des vibrations ont longtemps été utilisées. Cependant, il est apparu clairement que ces mesures n’étaient pas fiables pour surveiller l’état de ces machines. C’est pourquoi des techniques spécifiquement adaptées à la surveillance des machines à mouvement alternatif ont été mises au point. L’une de ces techniques est la surveillance de la chute de la tige de piston, qui consiste à surveiller la chute de la tige de piston résultant de l’usure des bagues de glissement. Une bague de glissement est le composant qui permet au piston de coulisser dans la chambre du cylindre sans endommager la paroi de celui-ci. Avec le temps, ces bagues de glissement s’usent. En surveillant la chute de la tige de piston, il est possible de déterminer quand la bague de glissement doit être remplacée avant que des dommages ne surviennent. La surveillance de la chute de la tige de piston s’inscrit dans le cadre d’une stratégie de maintenance conditionnelle (CBM), ou maintenance prédictive.
Mesures par tige de chute
La surveillance de la chute de tige est appliquée aux machines à mouvement alternatif qui utilisent des bandes de glissement pour soutenir le piston à l’intérieur du cylindre. L’objectif de la surveillance de la chute de tige est de déterminer l’usure de ces bandes de glissement. L’usure de ces bagues de guidage peut entraîner un contact (frottement) entre le piston et la paroi du cylindre, ce qui peut causer des dommages. La surveillance de l’usure des bagues de guidage permet aux opérateurs de planifier efficacement leur remplacement lors d’un arrêt technique déjà prévu. De plus, la détection précoce de l’usure des bagues de guidage donne à l’opérateur le temps d’arrêter la machine avant que des dommages excessifs et des pannes (dangereuses) ne surviennent.
Pour détecter l’usure des bandes de glissement, il est nécessaire de surveiller la position (par rapport au point de référence) du piston. Cependant, la mesure de la chute réelle du piston est très difficile en raison de la pression élevée régnant dans la chambre de pression. Au lieu de mesurer la chute réelle du piston, on mesure la chute de la tige de piston, ce qui est bien plus accessible. La surveillance de la course de la tige fournit des informations sur l’état des bandes de glissement en suivant les variations de position de la tige de piston.
Méthodes
De manière générale, on distingue deux méthodes principales pour la surveillance de la chute de tige :
Mesures par capteur de proximité
Dans le cas des mesures par capteur de proximité, celui-ci est monté verticalement au-dessus ou en dessous de la tige de piston. Un capteur de proximité fonctionne grâce à la technologie des courants de Foucault, qui mesure la distance entre le capteur et un objet métallique. Dans le cas d’une mesure de chute de tige, il mesure la distance entre le capteur et la tige de piston. Lorsque la tige de piston se déplace par rapport au capteur, la variation de distance (position de la tige de piston) est détectée. Ces mesures permettent de déterminer la position de la tige de piston, après quoi elles sont utilisées pour établir une tendance. Cette tendance sert ensuite à prévoir quand les bandes de guidage sont sur le point d’être usées et doivent être remplacées.
Mesures mécaniques
De manière générale, on distingue deux méthodes mécaniques pour la surveillance de la chute de tige. La première méthode utilise un bloc de matériau abrasif comportant un espace intérieur contenant de l’azote. Ce bloc est placé directement sous la tige de piston. Lorsque la tige de piston s’affaisse en raison de l’usure de la bande de glissement, le bloc s’use jusqu’à ce que l’azote s’échappe. Cette fuite d’azote entraîne une baisse de la pression d’alimentation, ce qui déclenche une alarme ou provoque l’arrêt de la machine.
La deuxième méthode mécanique de surveillance de la chute de la tige fait appel à un type de rouleau monté sous la tige de piston. Lorsque la bande de glissement s’use, la tige de piston s’abaisse progressivement jusqu’à toucher le rouleau. Au moment du contact entre la tige de piston et le rouleau, ce dernier commence à tourner, ce qui signifie que, comme pour l’autre méthode mécanique, de l’azote s’échappe. De même, cette fuite d’azote entraîne une baisse de la pression d’alimentation, provoquant le déclenchement d’une alarme ou l’arrêt de la machine.
Le principal inconvénient des systèmes mécaniques de détection de chute de tige réside dans l’impossibilité d’effectuer des mesures et d’utiliser ces dernières pour établir des tendances. La seule fonction de ces systèmes mécaniques est de déclencher une alarme lorsque les bandes de détection sont usées. Il n’y a aucune indication du degré d’usure de la bande de glissement. Un capteur de proximité mesure la chute réelle de la tige de piston, et donc le degré d’usure de la bande de glissement. À partir des mesures du capteur de proximité, il est possible d’établir une courbe de tendance, ce qui permet une meilleure planification de la maintenance (CBM).
Hypothèses
Certaines conditions doivent être remplies pour obtenir une mesure fiable de la chute de la tige. L’hypothèse de base pour la surveillance de la chute de tige est que le piston repose sur le fond du cylindre sous l’effet de la force de gravité. On peut donc supposer qu’un changement de position de la tige de piston est proportionnel au changement de position du piston, dû à l’usure de la bande de glissement. Il faut également supposer que le seul facteur modifiant la position de la tige de piston est l’effet de l’usure de la bande de glissement.
L’hypothèse selon laquelle la variation de la position de la tige de piston est proportionnelle à la variation de la position du piston découle du principe des triangles semblables. Ce principe est représenté schématiquement sur la figure ci-dessous.
Lorsqu’un capteur de proximité est utilisé pour la surveillance de la course de la tige, la mesure peut être corrigée à l’aide d’un certain facteur de correction. Ce facteur de correction est basé sur le rapport résultant de la différence entre la course mesurée de la tige de piston (B1) et la course réelle du piston (B2). En appliquant ce facteur de correction à la mesure de la course de la tige, l’usure réelle de la bande de guidage apparaîtra. Cependant, l’application d’un tel facteur de correction peut poser des problèmes. En cas d’erreur de mesure, cette valeur mesurée incorrecte sera corrigée à l’aide du facteur de correction, ce qui donnera une image erronée de l’usure réelle de la bande de glissement. Il est donc très important que les mesures effectuées soient fiables. Un certain nombre de facteurs influençant la fiabilité des mesures de la course de la tige sont abordés ci-après.
Installation et application ; points à prendre en compte
L’installation du capteur est cruciale pour une mesure fiable. Nous avons répertorié les 5 points les plus importants à prendre en compte :
Il est essentiel que le capteur soit monté aussi près que possible du cylindre. Cela vaut aussi bien pour les capteurs de proximité que pour les capteurs mécaniques. Cela permet de minimiser l’effet qui se produit lors de l’application du facteur de correction susmentionné à une erreur de mesure. Plus le capteur est monté près du piston, moins les erreurs de mesure auront d’impact.
Pour les pistons de grande taille, la dilatation thermique, entre un arrêt à froid et un processus actif, peut varier considérablement. Il est donc recommandé de positionner le cylindre bas sur la traverse afin de laisser de la place pour la dilatation thermique. Dès que le piston se dilate radialement sous l’effet de la chaleur, la tige de piston se soulève par rapport au capteur de chute de tige. Il convient d’en tenir compte lors de l’installation et de la détermination de la position du système de détection de chute de tige.
L’hypothèse selon laquelle le piston repose sur le fond du cylindre sous l’effet de la gravité n’est pas réaliste pour les pistons de petit diamètre. Pour les pistons de petit diamètre (moins de 150 mm), une grande partie de la tige de piston se trouve à l’intérieur du corps du cylindre. Un mauvais alignement ou des effets sur le corps du cylindre peuvent entraîner un « piston flottant ». Les forces radiales ne font pas descendre le piston, mais une combinaison de forces le pousse vers le haut ou sur le côté. Si cela se produit, vous pouvez choisir de placer deux capteurs de proximité, l’un mesurant horizontalement et l’autre verticalement (capteurs X-Y).
La longueur de la tige de piston peut également influencer la mesure. Plus la tige de piston est longue, plus elle est susceptible de présenter une certaine flexibilité. C’est particulièrement le cas pour les pistons de grand diamètre. La flexibilité de la tige de piston peut affecter la mesure de la chute de la tige. Afin de réduire l’effet de la flexion de la tige de piston sur la mesure de la chute de la tige, le signal du capteur de proximité peut être mesuré en un point fixe au cours de la rotation du vilebrequin. Ce procédé est appelé « déclenchement par phase » ; une référence de phase est définie, à partir de laquelle la mesure est déclenchée.
Il est important que la sonde soit montée de manière à ne pas être soumise à la dilatation thermique ni aux vibrations. Si la sonde se déplace par rapport à la tige de piston, la mesure perd de sa fiabilité. De plus, pour les pistons de grand diamètre, il est important de placer une sonde dotée d’une plage de mesure plus large. En cas de dilatation thermique, la tige de piston ne sortira pas de la plage de mesure de la sonde de proximité.
Module de chute de tige déclenchée – RecipSys 200
Le module de chute de tige déclenché à deux canaux (RecipSys 200) est développé par Istec International et convient à la surveillance de l’état des segments de piston d’une machine alternative. Le terme « déclenché » signifie que la mesure de la chute de bielle a lieu à un point fixe au cours de la révolution du vilebrequin. Il est ainsi possible d’établir une tendance fiable à terme. De nombreux systèmes de mesure de la chute de bielle existants font partie d’un système plus vaste adapté aux grandes applications et nécessitent donc un investissement coûteux. Le RecipSys 200, en revanche, est très économique et peut donc être utilisé pour des applications de petite, moyenne et grande envergure.
