BTS Maintenance IndustrielleStratégie de Maintenance Analyse Vibratoire des Machines Tournantes I. Introduction Toutes les machines en fonctionnement produisent des vibrations. Le principe de l'analyse des vibrations est basé sur l'idée que les structures de machines, excitées par des efforts dynamiques, donnent des signaux vibratoires dont la fréquence est identique à celle des efforts qui les ont provoqués ; et la mesure globale prise en un point est la somme des réponses vibratoires de la structure aux différents efforts excitateurs. On peut donc, grâce à des capteurs placés en des points particuliers, enregistrer les vibrations transmises par la structure de la machine et, grâce à leur analyse, identifier l'origine des efforts auxquels elle est soumise. De plus, si l'on possède la « signature » vibratoire de la machine lorsqu'elle était neuve, ou réputée en bon état de fonctionnement, on pourra, par comparaison, apprécier l'évolution de son état ou déceler l'apparition d'efforts dynamiques nouveaux consécutifs à une dégradation en cours de développement. La détérioration du fonctionnement se traduit par une « modification de répartition de l'énergie vibratoire » conduisant le plus souvent à un accroissement du niveau des vibrations. En observant l'évolution de ce niveau, il est par conséquent possible d'obtenir des informations très utiles sur l'état de la machine. Autrefois pour surveiller les machines les mécaniciens posaient leur tournevis sur un moteur pour en « écouter » les mouvements internes, mais ces techniques « sensitives » se sont aujourd'hui modernisées grâce à l'apparition de matériels nouveaux, au point de faire de l'étude des vibrations, un des outils les plus utiles à la maintenance moderne. II. Représentation du signal vibratoire II.1. Nature des vibrations Les vibrations mécaniques sont des mouvements oscillant autour d'une position moyenne d'équilibre. Ces mouvements oscillants caractéristiques de l'effort qui les génère, peuvent être, soit périodiques, soit apériodiques (transitoires ou aléatoires) selon qu'ils se répètent ou non, identiquement à eux-mêmes après une durée déterminée. Les vibrations peuvent être de 3 types : Elles peuvent correspondre à un mouvement sinusoïdal pur comme celui d'un diapason ou, plus généralement, à un mouvement complexe périodique que l'on peut décomposer en une somme de mouvements sinusoïdaux élémentaires, plus faciles à analyser. Ex : - Déséquilibre d’une roue de voiture , Vibration d’une cloche après un choc. Les mouvements sinusoïdaux élémentaires sont appelés « composantes harmoniques » et leurs fréquences sont des multiples entiers de la fréquence du mouvement étudié qui est appelée fondamentale» ou fréquence de l'harmonique d'ordre 1. • Les vibrations périodiques : Lycée B. FOURNEYRON Page 1 / 11 La MPC-Analyse Vibratoire d'une oscillation élémentaire du dans lequel le son se propage.2. Elles peuvent présenter ou non un aspect oscillatoire revenant à une position d'équilibre après amortissement. Ex : Vibration provoquée par un marteau pilon. C’est le domaine temporel. On parle souvent de « son » lorsque la vibration a lieu dans l’air alors que dans un milieu solide. T : ( en s ) est l'inverse de la fréquence. on dit qu'il y a un amortissement sub-critique. Ces deux types de mouvements transitoires peuvent être décrits par des fonctions mathématiques. Si l'amortissement est très important. on parle simplement de vibration. Représentation temporelle du signal : La représentation la plus simple et la plus immédiate d’un signal vibratoire se fait en fonction du temps. on dit alors que l'amortissement est sur-critique et le mouvement est apériodique. 2. liquide ou solide) qui se transmettent de proche en proche. Une onde sonore a certains caractères physiques dont les plus importants sont repris ci-dessous. La tendance à l'accroissement de leur intensité est représentative de l'évolution de l'effort qui les génère et révélatrice du défaut qui se développe. Période La période C'est la durée milieu matériel t T T= 2.BTS Maintenance Industrielle Stratégie de Maintenance • Les vibrations transitoires : Elles sont générées par des forces discontinues (chocs). comme pour une structure qui vibre après un choc et pour laquelle le coefficient d'amortissement est faible. la structure revient à sa position d'équilibre sans oscillation. Lorsqu'il existe des oscillations. et le mouvement est pseudo-périodique. Amplitude Temps Limites du domaine temporel : Lycée B. • • Fréquence f du signal : (en Hz ) 1 hertz = 1 cycle / seconde Il s’agit du nombre de cycle par seconde. Caractères physiques de l'onde sonore : Une vibration correspond à des variations périodiques d'un milieu matériel (gazeux. FOURNEYRON Page 2 / 11 La MPC-Analyse Vibratoire .3. • Les vibrations aléatoires : Exemple : vibrations générées par le phénomène de cavitation sur une pompe Ces vibrations caractéristiques sont donc toutes identifiables et mesurables. on peut le décomposer sous forme d’une somme de sinusoïdes de différentes amplitudes.5. ω t ) x( t ) Période 1 ω Fréquence : f = = T 2π Période : T = 2π ω Dans la réalité. cette représentation ne montre son intérêt que lorsque le signal a une forme plus complexe que la sinusoïde. b) Spectre d’une sinusoïde : Connaissant l’amplitude (A) et la fréquence (f) d’un signal sinusoïdal. Lycée B. FOURNEYRON Page 3 / 11 La MPC-Analyse Vibratoire . dont l'équation est : x ( )= × t A s i n A ω x(t) π/2 A t 0 π (. a) Caractéristiques d’une sinusoïde (Rappels): La forme la plus simple d'un signal vibratoire est un signal périodique que l'on représente sous la forme d'un mouvement sinusoïdal. on se réfère à un signal de forme sinusoïdale que l’on généralise ensuite à n’importe quelle forme de vibration.BTS Maintenance Industrielle Stratégie de Maintenance L’analyse d’un signal vibratoire en fonction du temps ne suffit pas. Amplitude A Amplitude A t 0 π/2 π Fréquence du signal: f = 1 / T f Période T Cependant. Représentation spectrale (ou fréquentielle) Le spectre est le concept fondamental de l'analyse en fréquence. 2. Le mouvement sinusoïdal peut être représenté par la projection sur un axe vertical d'un vecteur tournant A ayant une pulsation (vitesse angulaire) constante ω (rad / s).4. Il est souvent intéressant de connaître les différentes fréquences du signal. C'est la représentation d'un signal dont l'amplitude ne serait plus donnée en fonction du temps mais en fonction de sa fréquence. Décomposition d’un signal : Quelle que soit la forme d’un signal S (t). de différentes fréquences. 2. Pour des raisons de facilité d’analyse et de calcul. les signaux vibratoires sont rarement des sinusoïdes pures. La rotation de ce vecteur provoque une variation de sa projection x. on peut le représenter simplement sur un graphique avec la fréquence en abscisse et l’amplitude en ordonnée. 0. Le spectre est donc constitué de 3 pics dont les fréquences sont celles des 3 sinus.6 La représentation spectrale de ce signal sera : Les sons ou vibrations étant perçus de manière logarithmique par l’oreille. c’est la Fast Fourier Transformation (FFT).. Dans l’exemple ci-dessous.0003) + 30 sin(4000 t . Les ordinateurs utilisent un algorithme qui permet de réaliser rapidement cette transformation sur des données numériques. tant pour les fréquences que pour les amplitudes. FOURNEYRON Page 4 / 11 La d’en suivre l’évolution.0006) Sinusoïde 1 2 3 100 80 60 40 20 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 Amplitude Ai 100 50 30 Pulsation ω i (rad/s) 1000 2000 4000 Fréquence (en Hz) 159 318 637 Déphasage (en ms) 0 + 0. +A n sin( ωn t +ϕn ) 1 Cette décomposition est réalisée grâce à une fonction mathématique appelée transformée de Fourier. le signal est la somme des trois sinusoïdes dont les équations sont : Ex : S (t) =100 sin(1000 t) + 50 sin(2000 t + 0. C’est généralement le cas. 100 10 1 100 1 000 10 000 Lorsqu’un signal est composé par la somme d’un grand nombre de sinusoïdes de fréquences et d’amplitudes différentes.3 .BTS Maintenance Industrielle Stratégie de Maintenance S (t) = A1 sin( ω1 t +ϕ ) + A 2 sin( ω2 t +ϕ2) +. à une source etMPC-Analyse Vibratoire . vibratoire sont représentées sous forme de « pics ». le spectre ne se présente plus sous un ensemble de raies mais par une Toutes les composantes du signal courbe continue. le spectre est généralement représenté en échelle logarithmique. L’analyse de la signature d’une vibration doit permettre d’attribuer chaque vibration Lycée B. 200 100 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -100 -200 D’après la transformée de Fourier..0. le signal temporel est la somme de 3 sinusoïdes. fréquence fondamentale grave. Particularités sur les spectres : L’abscisse d’un spectre indique une fréquence. Il existe des fréquences de vibration plus aiguës que la fréquence fondamentale dont les amplitudes sont un peu plus fortes. Signal BF Signal MF Signal HF 2. elle est perçue comme grave. fréquence fondamentale aiguë. Bande de fréquences Basses fréquences (BF) Moyennes fréquences (MF) Hautes fréquences (HF) Fréquence minimale 20 Hz 200 Hz 2000 Hz Fréquence maximale 200 Hz 2000 Hz 20 000 Hz En voyant le spectre. La fréquence fondamentale est déterminée par les dimensions de la pièce : grande pièce. Lorsqu’une fréquence est basse. Souvent. La fréquence fondamentale d’une machine tournante est la fréquence de rotation. les fréquences sonores sont classées en trois bandes.6. 4… log f Lycée B. f0 2 f0 3 f0 4 f0 5 f0 Harmoniques de rang 2. 3. elle est perçue comme aiguë. une pièce ne vibre pas à une seule fréquence. par contre. Fréquence fondamentale et harmoniques : Toute pièce a une fréquence fondamentale. Mais en général. FOURNEYRON Page 5 / 11 La MPC-Analyse Vibratoire . à haute fréquence. Ces fréquences sont dans un rapport exact par rapport à la fréquence fondamentale. Elles se nomment fréquences harmoniques ou log A Fréquence fondamentale harmoniques. C’est la fréquence à laquelle elle vibre le plus fort lorsqu’elle est frappée ou frottée. il est possible de dire si un signal est de basse fréquence (grave) ou de haute fréquence (aigu).BTS Maintenance Industrielle 1000 100 10 1 100 1 000 10 000 100 000 Stratégie de Maintenance 2. petite pièce.7. FOURNEYRON Page 6 / 11 La MPC-Analyse Vibratoire . c’est-à-dire près des éléments à surveiller (paliers. Le signal de mesure est enregistré sur un collecteur puis transféré sur ordinateur ou enregistré directement à travers une carte d’acquisition. Ce capteur utilise les variations électriques induites par un changement de pression dans les disques piézoélectriques (création d’un courant électrique dans du quartz soumis à un choc mécanique). Phénomènes mis en évidence par l’analyse vibratoire : 3. a une large bande passante et convient à tout type de matériau conducteur. fixé sur les paliers. Les 2 principaux types de capteurs Capteur Absolu Capteur Relatif Le capteur absolu choisi est un accéléromètre qui permet de connaître directement la position des paliers dans le référentiel terrestre. Le capteur utilisé dans l'industrie est un capteur à courants de Foucault. rotors…). Principe de mesure : Lorsque la machine est neuve. 3. L’accéléromètre est vissé sur l’embase au moment des mesures ou laissé à demeure en cas de mesures continues.BTS Maintenance Industrielle Stratégie de Maintenance III. Réalisation des mesures : Les capteurs utilisés pour mesurer les vibrations sont généralement des accéléromètres piézoélectriques. précis. Accéléromètre Embase Colle Machine Le diagnostic est réalisé après analyse spectrale et temporelle du signal à travers divers filtres.1. car celui-ci est robuste. C’est la signature des vibrations. permet de connaître les mouvements relatifs de l'arbre par rapport aux paliers. Il suffit ensuite de comparer les mesures effectuées régulièrement à la signature d’origine pour voir une éventuelle dérive. On colle des embases aux endroits stratégiques. Ce capteur. on réalise des mesures dont on enregistre les spectres. Lycée B.2. turbines. f0 2f0 3f0 4f0 log f c) Desserrage : Le desserrage d’un élément engendre des chocs qui abîment les pièces et peut déboucher sur une casse. du frottement. Représentation spectrale du défaut log A Caractéristiques Peigne de raies d’harmoniques de f0 en BF et en MF. Il s’agit : du balourd.BTS Maintenance Industrielle Stratégie de Maintenance 3. Pics sur f0 et ses harmoniques. 3. donnés comme base. Représentation spectrale du défaut Caractéristiques Pic élevé à la fréquence de rotation f0. des contraintes apparaissent dans l’accouplement ou dans les paliers. du desserrage.3. Les efforts dus à un balourd peuvent devenir très importants et amener une rupture. Le diagnostic n’est pas toujours aussi évident que sur les exemples suivants. b) Délignage : Le délignage s’observe lorsque deux lignes d’arbres ne sont pas bien alignées. Pics d’amplitudes plus faibles sur les harmoniques de f0. accélérant les usures. il faut qu’elle soit équilibrée. c’est-à-dire que son centre de gravité soit sur l’axe de rotation. Classement des défauts : On peut classer les défauts en fonction de la bande de fréquences. FOURNEYRON Page 7 / 11 La MPC-Analyse Vibratoire . a) Balourd : Pour qu’une pièce tournante ne vibre pas trop.3. Représentation spectrale du défaut log A Caractéristiques Pic élevé au double de la fréquence de rotation f0. du délignage. f0 2f0 4f0 log f Lycée B.1 Défauts à basse fréquence : f0<200 Hz Les défauts à basse fréquence caractérisent des phénomènes simples qui apparaissent à moins de 200 Hz. A la rotation. b) Défauts de marquage des roulements : Ce sont des défauts de marquage ou d’écaillage des pistes de roulement.défauts de marquage de roulements. Représentation spectrale du défaut Caractéristiques log A Peigne de raies d’harmoniques à ½ de f0 en BF et en début de MF.fréquence de compression de pales. Défauts à moyenne fréquence : 200 Hz < f0 < 2000 Hz Les phénomènes apparaissant entre 200 Hz et 2000 Hz correspondent à des modulations : . . d’une turbine ou des palettes d’un compresseur. Si f0 est la fréquence de rotation de l’arbre : fp = f0 × nombre de pales Représentation spectrale du défaut Pic à fp. d’aubes ou d’ailettes : Cette fréquence fp est due aux forces dynamiques induites par le passage des pales d’un ventilateur. Représentation spectrale du défaut Caractéristiques Peigne de raies équidistantes et harmoniques entières de la fréquence du défaut. Les fréquences sont données par le constructeur.3. Caractéristiques Lycée B.2. Il est cependant souvent difficile à diagnostiquer car il se confond avec les autres défauts Basses Fréquences. a) Fréquence de compression de pales. . Pics d’amplitudes plus faibles sur les harmoniques de fp.défauts d’engrènement. FOURNEYRON Page 8 / 11 La MPC-Analyse Vibratoire . ½f0 f0 2f0 log f 3. de la poussière et augmente la température du mécanisme.BTS Maintenance Industrielle Stratégie de Maintenance d) Frottement : Le frottement produit une usure des pièces. d’aubes ou d’ailettes. FOURNEYRON Page 9 / 11 La MPC-Analyse Vibratoire . Lycée B. f0 2f0 4f0 log f Jeu Pic à fe.BTS Maintenance Industrielle Stratégie de Maintenance c) Défauts d’engrènement sur les roues dentées: Plusieurs types de défauts sont observables sur les engrenages. Certains à la fréquence de rotation du pignon considéré f0. f0 2f0 4f0 log f Deux dents cassées ou abîmées log A Même peigne de raies à f0 mais avec une amplitude plus élevée. Usure Peigne de raies à fe. certaines à la fréquence d’engrènement fe : fe = f0 × Z avec Z = Nombre de dents Type de défaut et représentation spectrale Dent cassée ou abîmée log A Caractéristiques Peigne de raies à f0. Faux rond Modulation de f0 autour de fe.4. manque de lubrification… Représentation spectrale du défaut Caractéristiques Dôme en Hautes Fréquences log f 3.utilisée pour les basses fréquences (f < 200 Hz). Défauts à haute fréquence : f0 > 2000 Hz Ils concernent particulièrement les défauts généralisés des roulements lors d’usure.BTS Maintenance Industrielle Stratégie de Maintenance b) Défauts de fixation et de forme : Type de défaut et représentation spectrale Serrage Caractéristiques Pic à 2 fe. Choix des unités de mesure : La sévérité d’une vibration est d’autant plus marquée que le déplacement crête à crête est important et que la fréquence de déplacement est élevée.utilisée pour les hautes fréquences. Ces 2 paramètres peuvent être matérialisés par 2 mesures physiques : La vitesse de déplacement : en mm/s . 3. FOURNEYRON Page 10 / 11 La MPC-Analyse Vibratoire . L’accélération de la vitesse : en mm/s² .3. Lycée B.3. Données pratiques: Lycée B.BTS Maintenance Industrielle Stratégie de Maintenance IV. FOURNEYRON Page 11 / 11 La MPC-Analyse Vibratoire .