• Nebras OUSSEY - Oct. 2025 - ED MPSNI (URCA) - Taux d'encadrement : 20%

Direction : F. Bolaers (PR), Co-direction : R. Bouzerar (McF HdR), Co-encadrement : E. Chevallier (PhD).

Ce projet de thèse s'inscrit dans le cadre de la maintenance prédictive des machines tournantes, notamment des composants mécaniques tels que les roulements. Ces éléments sont critiques dans les systèmes rotatifs, et leur dégradation peut entraîner des pannes coûteuses. Les méthodes de maintenance prédictive traditionnelles reposent sur la mesure de vibrations, de vitesses de rotation, de courants statoriques ou de températures. Bien qu'efficaces pour détecter les défauts avancés (écaillage dû à la Fatigue de Contact de Roulement – FCR), ces méthodes sont limitées pour identifier les phénomènes précoces comme les micro-écaillages, qui précèdent les défaillances visibles, tels que l'écaillage. Le projet vise à développer une nouvelle approche de monitoring basée sur l'injection d'un courant sonde defaible intensité et l'analyse de la réponse électrique du composant mécanique. Cette méthode est en cours de développement depuis 2020 à l'ITheMM. Elle pourrait permettre de détecter des dégradations précoces non visibles par les moyens classiques. Deux axes de recherche structurent ce projet : 1. Caractérisation électromécanique : L'étude portera sur un système roulement-arbre-roulement, plus précisément un roulement de butée (type 51207), dont les surfaces seront préalablement texturées pour simuler des états de surface dégradés représentatifs du vieillissement (micro-écaillage). La réponse électrique sera mesurée à l'aide d'un sourcemètre injectant un courant sonde, et l'analyse fréquentielle sera réalisée via un spectromètre d'impédance. Le choix des motifs de texturation sera guidé par une revue bibliographique et par des observations de composants existants 2. Modélisation mécanique et électrique : • Sur le plan mécanique, la méthode des éléments finis sera utilisée pour simuler le contact entre la bille et la piste du roulement, en tenant compte de la topographie réelle (avec micro-écaillages) pour déterminer l'aire réelle de contact ainsi que la distribution des contraintes et des déformations. • Sur le plan électrique, une première modélisation phénoménologique sera développée à partir des résultats expérimentaux, afin de construire un modèle analogue électrique du système et d'identifier les paramètres les plus sensibles. Ensuite, un modèle analytique basé sur les travaux de Holm sera élaboré, décrivant le contact bille/piste selon deux cas : contact sec et contact lubrifié (influence du film de lubrifiant sur la conduction électrique). Enfin, les résultats mécaniques seront intégrés dans un modèle électrique existant, afin d'y inclure l'aire de contact réelle pour affiner la prédiction du comportement électrique. L'enjeu de ce travail est de détecter les prémices de dégradation des surfaces roulantes, à une échelle micrométrique, avant l'apparition des défauts critiques. Cette recherche pourrait ainsi ouvrir la voie à des techniques de maintenance prédictive plus précises, proactives et non-invasives, et contribuer à la fiabilité accrue des machines tournantes dans l'industrie.

Mots-clès : Roulements; Monitoring; Modélisation électro-mécanique; Maintenance prédictive

This doctoral project focuses on predictive maintenance for rotating machinery, particularly concerning mechanical components such as rolling bearings. These elements are critical in rotating systems, and their degradation can lead to costly failures. Traditional predictive maintenance techniques rely on measuring vibrations, rotational speed, stator current, or temperature. While effective in detecting advanced faults such as spalling due to Rolling Contact Fatigue (RCF), they are limited in detecting early-stage degradation phenomena like micro-spalling, which precedes visible failures like spallling. The objective of this research is to develop a novel monitoring method based on the injection of a low-intensity probe current and the analysis of the electrical response of the mechanical component. This technique has been under development since 2020 at ITheMM and aims to detect early surface degradation that is undetectable by conventional sensors. The work is structured around two main research axes: 1. Electromechanical Characterization: the study will focus on a bearing-shaft-bearing system, specifically a thrust bearing (type 51207), whose surfaces will be textured in advance to simulate degraded surface conditions representative of aging (micro-spalling). The electrical response will be measured using a source meter to inject the probe current, and frequency analysis will be carried out using an impedance spectrometer. The surface texturing patterns will be chosen based on a prior literature review and direct observation of existing components. 2. Mechanical and Electrical Modeling: • On the mechanical side, the finite element method will be used to model the contact between the ball and the raceway, taking into account actual topography (including micro-spalling). The aim is to determine the real contact area and the distribution of stress and strain. • On the electrical side, a phenomenological model will first be developed using experimental data, to build an electrical analog model of the system and identify the most sensitive parameters. Then, an analytical contact model will be developed based on Holm's theory, describing the ball/raceway contact in two cases: dry contact and lubricated contact (to assess the influence of lubricant films on electrical conduction). Finally, the mechanical modeling results will be integrated into an existing electrical model in order to incorporate the real contact area and refine the prediction of electrical behavior. The main goal of this work is to detect the early onset of rolling surface degradation at the micrometric scale, before critical faults emerge. This research could lead to more precise, proactive, and non-invasive predictive maintenance methods and contribute to improved reliability of rotating machinery in industrial applications.

Key-words: Rolling bearings; Monitoring; Electro-mechanical modeling; predictive maintenance

• Sirine EL BEHI - 2025 - Stage M2 Physique (5 mois) / M2 internship in Physics (6 month)

Financé dans le cadre d’un AAP S2R, ce stage s’inscrit dans la continuité des travaux menés sur le monitoring des roulements. A travers l’utilisation du dispositif « TriboLab » installé au LPMC et l’adaptation d’un module de test pour accueillir des roulements de type « butée », ce stage se focalise principalement vers une production de données expérimentales importante. Les travaux issus de ce stage devraient apporter beaucoup d’éléments pour la rédaction d’un futur projet de recherche d’envergure ainsi que de la matière pour l’écriture de diverses publications.

Funded as part of an S2R call for projects, this internship is a continuation of the work carried out on bearing monitoring. Through the use of the "TriboLab" device installed at the LPMC and the adaptation of a test module to accommodate "thrust bearings", this internship focuses primarily on the production of significant experimental data. The work resulting from this internship should provide a lot of elements for the writing of a future large-scale research project as well as material for the writing of various publications.

• Darcy G. MOUYELE KIBANGOU - 2024 - Stage M2 Physique (6 mois) / M2 internship in Physics (6 month)

Mise en place d’un travail de modélisation numérique, financé par SEGULA Technologie, sur une approche complémentaire du modèle de Harris décrivant la distribution de charge dans un roulement. Le stage a pour but de créer une méthode d’interprétation des mesures électriques. Ce stage est une continuité dans la collaboration mise en place entre l'ITheMM et le LPMC, relative au dépôt d'un projet ANR, dont le but est de mettre en évidence les phénomènes intervenant dans le processus de vieillissement du contact mécanique.

Implementation of a numerical modeling project, funded by SEGULA Technologie, on a complementary approach to the Harris model describing load distribution in a bearing. The internship aims to create a method for interpreting electrical measurements. This step is a continuation of the collaboration established between ILeMM and LPMC, relating to the submission of an ANR project, the aim of which is to highlight the phenomena involved in the aging process of mechanical contact.

• Steve LANGE - 2023 - Stage M2 Physique (6 mois) / M2 internship in Physics (6 month)

Mise en place d’un travail expérimental et de modélisation numérique, en collaboration avec Robert Bouzerar du LPMC (UPJV), et financé par SEGULA Technologie, sur le développement du monitoring électrique des roulements. Le stage a pour but de corréler les mesures électriques au modèle numérique pré-établi. Ce stage est une continuité dans la collaboration mise en place entre l'ITheMM et le LPMC, relative au dépôt d'un projet ANR, dont le but est de mettre en évidence les phénomènes intervenant dans le processus de vieillissement du contact mécanique.

Implementation of an experimental and numerical simulation work, in collaboration with Robert Bouzerar from LPMC (UPJV), and fund by SEGULA Technology, about the improvement of electrical monitoring of bearings. The intership goal is to correlate the electrical measurements to simulation. This intership is continuity of the collaboration between the ITheMM and LPMC laboratories, related to an ANR project, which have for purpose to highlight the phenomena occuring in the ageing of mechanical contacts.

• Justus Christmaël BOUDIMBOU - 2022 - Stage M2 Physique (5 mois) / M2 internship in Physics (5 month)

Mise en place d’un travail expérimental, en collaboration avec Robert Bouzerar du LPMC (UPJV), sur le développement du monitoring électrique des défauts dans les roulements. Le stage a pour but de corréler les mesures électriques aux mesures classiques par analyse vibratoire réalisées au sein de la salle d'essais "SurVib". Ce stage est une première étape dans la collaboration mise en place entre l'ITheMM et le LPMC, relative au dépôt d'un projet ANR, dont le but est de mettre en évidence les phénomènes multi-physiques et multi-échelles intervenant dans le processus de vieillissement du contact mécanique. Ce stage a permis l'obtention de résultats actuellement soumis pour publication.

Implementation of an experimental work, in collaboration with Robert Bouzerar from LPMC (UPJV), about the improvement of electrical monitoring of ball bearings defects. The intership goal is to correlate the electrical measurements to the classic vibratory analysis made in the test room "SurVib". This intership is a first step in the collaboration between the ITheMM and LPMC laboratories, related to an ANR project, which have for purpose to highlight the multi-physical and multi-scale phenomena occuring in the ageing of mechanical contacts. This internship allowed to submit a paper currently being reviewed.

• Valentin DUBUFFET - 2020 - Stage M2 Physique (5 mois) / M2 internship in Physics (5 month)

Mise en place d’un travail expérimental, en collaboration avec Julien Scheibert du LTDS (Ecole Centrale de Lyon), autour de l’étude du vieillissement d’une interface métallique rugueuse et sa réponse au cisaillement. Dû à la pandémie du Covid19, la majeure partie du stage n'a pas pu se réaliser et les résultats attendus n'ont pas pu être obtenus. Toutefois l'étudiant est parvenu à fournir un travail permettant la validation de son diplôme.

Implementation of an experimental work, in collaboration with Julien Scheibert of the LTDS (Ecole Centrale de Lyon), about the study of the ageing of a metallic rough interface and the consequences of an applied shear. Due to the Covid19 pandemic, the main part of the intership could not be done and the attending results could not be obtain. However, the student has managed to provide a work that allows him to graduate.

• Ouerdia BOURAHLA - 2018 - Stage M1 EEAII (4 mois) / M1 internship in Electronics (5 month)

Stage de 1ère année de Master Électronique, Électrotechnique, Automatique et Informatique Industrielle, Spécialité « Ingénierie des Systèmes Automatisés ». Collaboration avec le département E.E.A. (Djemâa Kachi, Abdelhamid Rabhi) autour de la conception et de la réalisation d’une interface informatique permettant la réalisation d'une spectroscopie d'impédance adaptée pour le suivi d'une interface métallique glissante. À l’aide d’une carte d’acquisition National Instruments et du logiciel LabVIEW, l'étudiante a sondé le contact en ayant pour principal but d’accéder à la fonction de transfert de l’interface.

First year Master's internship in Electronics, Electrical Engineering, Automation and Industrial Computing, specialized in "Automated Systems Engineering". Collaboration with the EEA department (Djemâa Kachi, Abdelhamid Rabhi) on the design and implementation of a computer interface allowing to make an adapted impedance spectroscopy for the monitoring of an metallic sliding interface. Using a data acquisition card from National Instruments and the software LabVIEW, the student probed the contact with for main purpose to access to the transfer function of the interface.

• Hachemi ZERARI, Diyab ZEHOUANI - 2019 - Stage L3 Physique (70h) / 3rd Year Bachelor internship (70h)

Mise en place d’un travail expérimental dans le but d’étudier l’influence du cisaillement au sein d’une interface multi-contacts métallique par une mesure électrique. Ce stage a été réalisé par une équipe de deux étudiants en physique provenant de deux parcours différents, et encadré en collaboration avec Nicolas Foy. Une partie des résultats issus de ce stage a été présentée lors du symposium Leeds-Lyon en septembre 2019 et a fait l’objet d’une publication dans la revue Tribology International (IF : 4,271).

Implementation of an experimental work in order to study the influence of shear on a multi-contact metallic interface using electrical measurements. This internship was carried out by a team of two students, each from a different background, and supervised in collaboration with Nicolas Foy. A part of the results was presented during the Leeds-Lyon symposium in september 2019, and have been published in the journal Tribology Transaction (IF: 4.271).

• Mohamed TOURE - 2017 - Stage L3 Physique (30h) / 3rd Year Bachelor internship (30h)

Mise en place d’une étude expérimentale sur l'évolution des paramètres statistiques issus du bruit électrique mesuré aux bornes d’un contact conducteur glissant. Trois types de contacts ont été étudiés : bague/fil métal/métal sec, bague/fil métal/métal lubrifié, et bague/patin métal/carbone. L’influence des conditions mécaniques a ainsi été mise en évidence à travers une description statistique du bruit électrique mesuré (moyenne, écart-type, mode, …) en fonction de la vitesse de déplacement.

Implementation of an experimental work about to study the evolution of statistical parameters of the voltage noise measured at the ends of a conductive sliding ontact. Three kinds of contact was studied: ring/wire metal/metal dry, ring/wire metal/metal lubricated, and ring/brush metal/carbon. The influence of mechanical conditions have been highlighted through the statistical description of the noise (mean value, standard deviation, mode, ...) versus the sliding speed.