Brevet FR2573199A1 — publié le 19860516

L'invention est relative à un procédé de détection à distance de l'usure des paliers d'une machine tournante, et à un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Elle trouve-ra principalement son application dans le cas de machines tournantes non directement accessibles comme par exemple pour les moto-pompes immergées employées dans les forages. Dans le domaine des forages, il est connu d'employer des motopompes immergées qui peuvent être placées dans le sol à plusieurs centaines de mètres de profondeur. Ces pompes sont logées dans des trous-, difficilement accessibles depuis la Surface du sol, et il est impossible de contrôler l'usure de telles moto-pompes depuis la surface sans les avoir remontées préalablement, opération onéreuse et provoquant leur immobilisation. De ce fait, actuellement, on se limite à détecter l'usure lorsque survient une panne ou lorsqu'on constate une diminution de debit. Parmi les sources d'usure mécanique susceptibles d'affecter une moto-pompe, l'usure des paliers est primordial car, lorsqu'elle atteint un certain seuil, elle provoque un arrêt immédiat et une dete- rioration de la pompe et du moteur électrique qui l'entraine. En effet, il peut se produire un contact entre le stator et le rotor du moteur. De plus, dans le cas de moto-pompes immergées, les paliers ne sont pas montes sur roulement à billes comme dans les machines tournantes classiques, mais sur des bagues lisses, comme par exemple en bronze ou en nylon. Dans ces conditions, il n'est pas possible de détecter l'usure des paliers par les moyens habituels utilises pour les machines tournantes classiques montées sur roulements.En effet, pour ces machines, l'usure des paliers se traduit généralement par un bruit anormal qui est facilement détectable par une oreille avertie. Dans ces conditions, on a recherché à ne pas aller à l'usure complete des moto-pompes, et notamment l'usure totale des paliers qui provoque leur arrêt immédiat et impromptu et exige une réparation longue et onéreuse puisque leurs parties essentielles sont endommagées. On a proposé de fixer sur les moto-pompes des capteurs enregistrant les vibrations dues à l'usure des paliers. Toutefois, ces capteurs de vibrations ne peuvent pas assurer précisément les seuils d'usure car, dans un forage en exploitation, les niveaux d'-eau varient et les caractéris- tiques vibratoires de la pompe àl'extrémité de la tuyauterie de refou lement sont également susceptibles de variations. De plus, ils doivent être prévus dès leur construction, ce qui empeche d'en équiper les moto-pompes existantes.En outre, ces capteurs utilisent habituellement des circuits électroniques, dont les signaux d'entrée et de sortie cheminent vers la surface par des conducteurs qui sont placés dans le voisinage des câbles d'alimentation du moteur électrique, généralement parcourus par des courants de forte intensité qui creent des effets parasites sur les signaux en provenance des capteurs. Dans ces conditions, l'utilisation d'un capteur monte sur la moto-pompe immergee est une solution peu adaptée aux problèmes de la détection de l'usure des paliers. Le but de l'invention est de proposer un procedé de detection de l'usure des machines tournantes qui ne demandent pas une intervention directe sur la machine elle-meme, c'est-à-dire qu'il consiste à capter au niveau du sol une information renseignant sur le degré d'usure de la machine. Ce procédé permet de connaître en permanence le degré d'usure de la machine et ainsi il est possible d'eviter une usure complète et irréversible des pièces en procédant à leur changement au moment opportun. I1 en résulte que les avantages économiques de ce procedé -sont considérables puisqu'il permet de faire une programmation des travaux d'entretien, evitant ainsi d'arrêter les installations pendant de longues periodes. Les inventeurs ont constaté que les courants alimentant le moteur de la machine tournante étaient fonction de l'usure des paliers. Cette usure qui correspond a une augmentation des dimensions de l'alésa- ge provoque un excentrement du rotor par rapport au stator et crée un entrefer d'épaisseur non constante. L'arbre de la machine tourne ainsi en roulant et glissant dans ses paliers. L'excentration est donc variable dans le temps et cela se traduit par une variation de l'amplitude descourants absorbés. Par ailleurs, les inventeurs ont constaté qu"il ne suffisait pas de mesurer le courant d'entrée mais qu'il fallait les analyser suffisamment finement pour distinguer les variations dites à l'usure des paliers des autres variations de diverses origines. Ces dernieres sont notamment dues aux modifications des caracteristiques du réseau de distribution et à la modification de la charge appliquée au moteur électrique etant donné que les courants absorbes par le moteur sont fonction du débit de la moto-pompe. Actuellement, si la mesure des courants absorbés par unMap- pareil électrique ne pose pas de problème , on n'a pas encore établi de corrélation entre les variations de leurs valeurs efficaces et l'usure des paliers de la machine tournante. D'un point de vue théorique, l'un des inventeurs a établi scientifiquement une formule qui détermine les variations du courant en fonction des variations de l'entrefer du moteur. Le procedé consiste donc à permettre une observation des variations de courant provenant de cette relation et à eliminer les variati-ons ayant d'autres origines. D'un point de vue industriel, les inventeurs ont constaté que les variations de courant engendres par l'usure des paliers n'étaient pas décelables avec les appareils employes couramment, et il propose un procédé qui permet de sélectionner et d'amplifier les signaux électriques significatifs. Le procédé sera d'autant plus apprécié qu'habituellement, le degré d'usure des paliers reste faible pendant une longue période, et qu'à partir d'un certain seuil, il s'accroit considérablement pour atteindre ensuite rapidement une valeur non compatible avec le fonctionnement de la machine. Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif de détection de l'usure des paliers d'une machine tournante mettant en oeuvre le procédé mis au point par les inventeurs. Ce dispositif sera intercalé sur la ligne d'alimentation du moteur électrique, et cela dans un endroit parfaitement accessible pour les operateurs. D'autres buts et avantages de la présente invention, apparaîtront au cours de la description qui va suivre, qui n'est donnée qu'a titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter. Le procédé de detection à distance de l'usure des paliers d'une machine tournante, notamment mais non exclusivement d'une motopompe immergée, entrainee par un moteur électrique relié au réseau au moyen d'une ligne d'alimentation, est caractérisé en ce que l'on mesure sur chaque phase de la ligne d'alimentation l'amplitude du courant absorbé par le moteur électrique, que l'on détermine l'écart maximum que presentent les variations de l'amplitude, et que l'on compare cet écart maximum avec un seuil predéterminé. correspondant à une usure connue des paliers de la machine tournante. Le dispositif de détection à distance pour la mise en oeuvre du procede selon l'invention est caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens intercalés sur la ligne d'alimentation du moteur pour mesurer les écarts d'amplitude du courant absorbé par le moteur et des moyens de comparaison des écarts relevés avec un seuil prédéterminé. L'invention sera mieux comprise si l'on se réfère à la description ci-dessous ainsi qu'aux dessins en annexe qui en font partie in tegrante. La figure 1 schématise l'intensité du courant absorbé par le moteur, en fonction du temps. La figure 2 schematise les crêtes de courant amplifiées selon le procédé selon l'invention, en fonction du temps. La figure 3 illustre le spectre de courant absorbé par le moteur électrique. Le procéde selon l'invention consiste à analyser finement les caractéristiques d'entrée du moteur electrique pour identifier les variations dues à l'usure des paliers. Tout d'abord, les variations de courant dues au réseau s'éliminent d'elles-mêmes car ce sont des phénomènes essentiellement lents. En effet, le reseau délivre un courant dont la fréquence est par exemple 50 hertz avec une précision de plus ou moins 2 X, c'est-à-dire que la fréquence du courant peut varier entre 49 et 51 hertz. Dès qu'il survient une variation accidentelle de la fréquence du courant du reseau, l'organisme distributeur procède dans les minutes qui suivent à des corrections pour en eliminer les effets. Ces variations ainsi que celles de la tension du secteur sont suffisamment lentes vis-à-vis des phénomènes que l'on veut observer pour qu'il ne soit pas utile d'en tenir compte. Par ailleurs, pour éliminer les variations du courant dues aux variations de la charge appliquee sur le moteur électrique, les mesures du courant ne seront pas analysées pendant les periodes transitoires, mais uniquement au cours des phases stationnaires ou quasistationnaires. Selon l'invention, l'usure des paliers se traduit par des modifications de l'amplitude du courant pouvant être de l'ordre de 5 à 7 % de l'amplitude normale. Ces variations sont relativement faibles en valeur relative et elles ne sont pas décelables avec les appareils utilisés communément. La figure 1 illustre l'intensité du courant absorbé par le moteur en fonction du temps. Le courant se présente sous la forme d'une courbe 1 d'allure sinusoldale mais mettant en evidence l'existence d'harmoniques de dentures du moteur électrique, squs la forme d'une succession de crêtes élémentaires. La fréquence des harmoniques de dentures est connue et dépend du bobinage du moteur. Le rapport entre la fréquence des harmoniques et la fréquence du courant fondamental est relativement elevé, pouvant être par exemple de 24. Aussi, ces distorsions dues aux harmoniques sont facilement eliminees à l'aide d'un filtre. On obtient ainsi une courbe régulière 2 pour laquelle il sera plus facile de saisir les variations dues à l'usure des paliers. Sur la figure 2, on constate qu'il existe des variations d'amplitude, par exemple au niveau des crêtes 3 et 4, comme le montre la figure 1. Ces variations d'amplitude qui proviennent de l'usure ont une fréquence aléatoire de 3 à 20 hertz. L'amplitude de l'écart est de l'ordre de 1 Z pour un moteur neuf, et atteint 5 à 7 Z pour un moteur usager. Selon l'invention, on amplifie ces écarts pour les comparer avec un seuil prédéterminé qui correspond à une usure connue des paliers de la machine tournante. La relation liant l'usure du palier et les variations de l'amplitude du courant permet de contrôler efficacement cette usure. On pourra ainsi établir une graduation de l'usure avec un seuil qui correspond à un moteur neuf, un seuil d'alarme pour lequel il conviendra d'envisager le remplacement des paliers et un seuil qui correspond à un arrêt immédiat du moteur électrique. Dans un premier mode de réalisation, le procédé selon l'invention consiste, après avoir filtre les harmoniques, à redresser le courant avant d'en extraire la valeur moyenne et amplifier le courant restant pour analyser les variations de l'amplitude de celui-ci. Ces différentes opérations seront réalises à l'aide de moyens connus et elles permettent d'obtenir un signal, illustré à la figure 2. On prelève environ 80 Z du courant et les 20 Z restant sont amplifiés pour controler les variations des crêtes. Le signal ainsi obtenu est échantillonné au valeur de crêtes que l'on mémorise et l'on compare les ecarts entre ces valeurs de cretes avec le seuil prédéterminé. En outre, il conviendra de toujours comparer les ecarts enre gistrés avec le seuil du moteur considéré. Le procédé qui vient d'être décrit pourra être mis en oeuvre par exemple soit à l'aide de moyens analogiques, soit à l'aide de moyens numériques qui permettent la comparaison d'un écart avec un seuil predetermine. Dans un autre mode de réalisation, le procedé selon l'invention consiste à analyser le spectre du courant absorbé par le moteur3 un tel spectre est illustré à la figure 3. Il comporte principalement une raie qui correspond à la fréquence du courant fondamental, dont la fréquence est de 50 hertz dans le cas de la FRANCE, qui peut se déplacer entre 49 et 51 hertz. Il comporte également une raie dont la fréquence est aleatoire et comprise entre 53 et 70 hertz. Cette raie correspond à celle du signal engendré par l'usure des paliers. Le spectre comporte également des raies engendrées par les harmoniques de dentures dont la fréquence se distingue nettement de celle du signal fondamental. Selon le procédé, on compare les variations de l'amplitude des raies dont la frequence est comprise entre 53 et 70 hertz avec le seuil prédéterminé correspondant au moteur. La difficulté de ce mode de réalisation provient du fait qu'il faut utiliser un filtre très sélectif pour éliminer le signal fondamental sans affecter le signal dû à l'usure des paliers. Dans un autre mode de réalisation, le procéde consiste à engendrer un signal à l'aide d'un générateur synchrone au réseau et à mesurer les écarts entre ce signal et le courant reellement absorbe par le moteur pour le comparer au seuil prédéterminé. Le générateur synchrone fournit un signal qui correspond au courant théorique que devrait absorber le moteur, s'il n'y avait pas de phénomènes d'usure. Le générateur synchrone permet d'éliminer les variations dues aux modifications du réseau. Bien qu'il soit théoriquement possible d'employer le procédé de détection sur une seule phase du réseau, il sera préférable de mesurer le courant sur les trois phases pour améliorer la fiabilité du systAme. Le dispositif de détection à distance mettant en oeuvre oe procéde comportera des moyens intercalés sur la ligne d'alimentation pour mesurer les écarts d'amplitude du courant absorbé par le moteur et des moyens de comparaison des écarts relevés avec un seuil prédéterminé. Dans un premier mode de réalisation, ces moyens comprendront un filtre pour éliminer les signaux harmoniques de dentures, un redresseur qui fournit un signal à un-^integrateur, des moyens d'extraction du signal intègre, un amplificateur du signal ainsi obtenu et un dispositif d'echantillonnage des valeurs de crêtes du signal amplifie. Dans un autre mode de réalisation, le dispositif comportera des moyens pour analyser le spectre du courant, un filtre pour élimi- ner la raie correspondant au courant fondamental et des moyens pour mesurer l'amplitude des raies du signal engendré par l'usure des paliers. Les composants électroniques utilisés pour la réalisation de ce dispositif devront présenter une grande fiabilité dans le temps puisque les machines tournantes et en particulier les moto-pompes immer gées, peuvent fonctionner pendant plusieurs annees avant qu'il soit necessaire d'intervenir. Les modes de réalisation qui viennent d'être décrits ne sont donnés qu'à titre indicatif, et d'autres mises en oeuvre de la présente invention, à la portee de l'Homme de l'Art, pourraient être adoptées sans pour autant sortir du cadre de celle-ci. REVENDICATIONS 1. Procéde de détection à distance de l'usure des paliers d'une machine tournante, notamment mais non exclusivement d'une pompe immergée, entraînée par un moteur électrique relié au réseau au moyen d'une ligne d'alimentation, caractérisé en ce que l'on mesure sur chaque phase de la ligne d'alimentation l'amplitude du courant absorbé par le moteur electrique , que l'on détermine 1 'écart maximum que présente les variations de l'amplitude, et que l'on compare cet écart avec un seuil prédéterminé correspondant a une usure connue des paliers de la machine tournante. 2. Procédé de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on compare les écarts de l'amplitude du courant lorsque la machine tournante est en régime de charge stationnaire. 3. Procéde de détection selon la revendication 1 ou 2, carac térisé en ce que l'on filtre le courant absorbé par le moteur pour eliminer les courants harmoniques de dentures, préalablement à la mesure des ecarts de l'amplitude. 4. Procedé de détection selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on redresse le courant avant d'en extraire la valeur moyenne et d'amplifier le courant restant, que l'on échantillone ce dernier courant aux valeurs de crêtes que l'on memorise et que l'on compare les ecarts entre les valeurs de crêtes avec le seuil prédéterminé. 5. Procedé de détection selon la revendication 1 ou 2, carac térise en ce que l'on analyse le spectre du courant absorbé dans le moteur, que l'on filtre la raie du courant porteur ayant la fréquence du réseau, et que l'on mesure l'amplitude des raies du signal de fréquence aléatoire comprise entre 3 et 20 hertz engendre par l'usure des paliers et que l'on compare les valeurs mesurées avec le seuil prede- terminé. 6. Procédé de détection selon la revendication 1 ou 2, carac terse en ce que l'on engendre un signal à l'aide d'un générateur synchrone au reseau et que lJon mesure les écarts entre ce signal et le courant absorbé par le moteur pour le comparer au seuil prédéterminé. 7. Procédé de détection selon l'une quelconque des revendications précédentes, le moteur électrique étant alimenté par un réseau multiphasé, caractérisé en ce que l'on effectue les mesures des écarts d'amplitude du courant sur chacune des phases. 8. Dispositif de détection à distance de l'usure des paliers d'une machine tournante entrainée par un moteur électrique relié au reseau par une ligne d'alimentation, pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérise par le fait qu'il comprend des moyens intercalés sur la ligne d'alimentation du moteur, pour mesurer les écarts d'amplitude des courants absorbés par le moteur et,des moyens de comparaison des écarts relevés avec un seuil prédétermine. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérise par le fait que les moyens pour mesurer les écarts d'amplitude des courants comprennent un filtre pour éliminer les signaux harmoniques de dentures, un redresseur qui fournit un signal à un intégrateur, des moyens d'extraction du signal intégré, un amplificateur du signal obtenu et un échantillonneur des valeurs de crêtes du signal amplifié. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérise par le fait qu'il comprend en outre un comparateur analogique. 11. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait qu'il comprend un comparateur numérique. 12. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens pour analyser le spectre des courants absorbés par le moteur, un filtre pour eliminer la raie correspondant au courant fondamental et des moyens pour mesurer l'amplitude de la raie du signal de fréquence aleatoire engendré parl'us-ure des paliers.