STS M I ~ U62 ~ Stratégie de Maintenance

10 OUTILS DE CONTROLE

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ANALYSE VIBRATOIRE

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Eléments de cours

1. ANALYSE VIBRATOIRE.

1.1 GENERALITES : 1.1.1 Vibration : Un corps est dit en vibration lorsqu’il est animé d’un mouvement autour d’une position de référence. Une des caractéristiques est la période T.

1.1.2 Origine des vibrations : Elles sont dues aux effets dynamiques des jeux, des contacts de frottement ainsi qu’au déséquilibre des pièces en rotation ; Elles sont inévitables ; Les vibrations d’une machine tournante se transmettent du rotor à la structure à travers les paliers. Elles seront donc mesurées au niveau des paliers.

1.1.3 Constitution du signal : Le signal peut être constitué d’une composante unique (une seule période) ou de plusieurs composantes (plusieurs périodes différentes) ;

La caractéristique amplitude temps donne la forme du signal (signal temporel) ; La caractéristique amplitude fréquence met en évidence les diverses composantes (signal fréquentiel ou spectre). La période (ou cycle) par seconde est appelée fréquence (F=T/s). L’unité est le hertz (1Hz = 1 cycle/s ou 60 CPM (cycle par minute).

1.2 MESURE DE LA VIBRATION : La mesure est réalisée par 2 types de capteurs :

� Les accéléromètres pour des mesures de vibration absolues (placés sur des paliers à roulement) � Les sondes de déplacement ou de proximité pour des mesures de déplacement relatif de l’arbre dans les

paliers (Placés sur des paliers lisses, fluides ou des machines à rotor léger sur un bâti massif : la vibration n’est pas perçue par le bâti)

Composante unique (Diapason musicien)

Plusieurs composantes (Engrènement b.vitesse)

Temps en seconde

Fréquence en Hertz

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1.3 PARAMETRES DE SURVEILLANCE : 1.3.1 Grandeurs mesurées : Pour un accéléromètre, le signal peut être exprimé en :

� Accélération (mm/s2 ou g : 9,81m/s2) � Vitesse (mm/s) � Déplacement (µm ou mm)

Pour une sonde de déplacement le signal est exprimé en déplacement (µm) Le choix de l’unité n’est pas indifférent. Les mesures en accélération sont à privilégier (0<F<20000 Hz), les mesures en vitesse (réservées aux basses fréquences

F<1000 Hz) et en déplacement (très

basses fréquences F<100Hz) étant atténuées par les fréquences élevées. Remarques : Dans le cas de suivi de roulements, le signal peut être exprimé par des grandeurs spécifiques :

� Energie vibratoire de crête : mesure abstraite à très haute fréquence. Unité le gSE ‘spike énergie en g : accélération)

� Facteur de crête : c’est le rapport valeur de crête sur valeur efficace (voir $132) du paramètre vitesse ou accélération. Il caractérise l’apparition des premiers défauts sur les roulements.

L’apparition de petits défauts sur les billes ou chemin de roulement produisent des chocs vibratoires donc la valeur crête croit alors que la valeur efficace reste stable. Le développement et l’extension de l’écaillage fait croitre la valeur efficace alors que la valeur crête se stabilise. Lorsque le facteur de crête atteint 3, le roulement est HS.

1.3.2 Type de détection : Il doit être clairement identifié parmi :

� L’amplitude crête à crête Ap-p (amplitude maxi du signal)

� L’amplitude crête A0-p (indique le niveau des chocs de courte durée)

� L’amplitude efficace Arms , valeur efficace ou Rms (tient compte du contenu énergétique et des capacités destructrices de la vibration)

En pratique on utilise souvent : � La valeur efficace pour les mesures issues

d’accéléromètre, � L’amplitude crête à crête pour les mesures

issues de sonde de déplacement.

1.3.3 Type d’analyse : 1.3.3.1 Niveau global : C’est le premier indicateur de sévérité vibratoire car il quantifie l’énergie vibratoire globale du signal.

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Le résultat de ce traitement est une valeur numérique unique. Il peut être exprimé selon les 3 grandeurs de mesure courante : accélération, vitesse, déplacement. Le choix de la grandeur n’est pas indifférent en raison de l’influence de la valeur des fréquences sur l’unité choisie (voir $131). Le filtrage opère pour la mesure de niveau global :

� Niveau global accélération [2-20000]Hz (exemple haute fréquence) � Niveau global vitesse [10-1000]Hz (normalisé : voir $153 – moyenne fréquence) � Niveau global déplacement [3-300]Hz (exemple basse fréquence)

Les niveaux globaux sont des indicateurs simples pour le suivi des machines (traitement du signal simple et peu couteux, résultats numériques uniques) mais ils ne permettent pas le diagnostic précis de l’origine des défauts ou des évolutions constatées.

1.3.3.2 Analyse fréquentielle : Toute anomalie est traduite par une fréquence correspondante à celle du phénomène qui la provoque d’où analyse de spectre, ce qui permet le diagnostic. La mesure de l’amplitude de certaines raies du spectre (correspondantes au défaut recherché) permettra le suivi de ce défaut.

Si le défaut apparaît à la fréquence fondamentale F1, le suivi de l’amplitude de la raie A1 et des harmoniques A2 (F2=3F1) et A3 (F3=5F1) permettra le suivi de ce défaut. L’analyse fréquentielle ou de spectre, nécessite un matériel approprié mais il permet de faire du diagnostic. La démarche est simple mais la lecture du spectre est parfois difficile et délicate.

1.3.4 Choix des paramètres de surveillance : Une analyse cinématique de la machine permet de définir les paramètres utiles à la surveillance. Elle repose sur la connaissance des éléments suivants :

� Eléments constitutifs de la machine : éléments mécaniques, chaines cinématiques, dimensions. � Paramètres de fonctionnement : vitesse, puissance, charge. � Manifestations des phénomènes attendus : fréquences caractéristiques des défauts possibles (balourd,

lignage, fixation…), typologie spectrale (spectre théorique correspondant au défaut (voir $1.7)

1.4 CHAINE DE MESURE VIBRATOIRE : Le transducteur (capteur de vibration) soumis à la vibration converti les effets mécaniques de celle-ci en signal électrique pré-amplifié ayant la forme de la vibration. Ce signal est reçu soit par un mesureur qui effectue une mesure de niveau global soit par un analyseur qui effectue une analyse de fréquence.

1.4.1 Les capteurs : 1.4.1.1 l’accéléromètre : Constitution :

� un élément piézo-électrique est comprimé par une masse mobile sollicitée par les vibrations auxquelles est soumis le capteur.

� L’élément piézo-électrique délivre une charge électrique, convertie en tension, proportionnelle aux contraintes qu’il subit et donc à l’accélération locale au point de mesure.

La bande passante : correspond au domaine de fréquences pour lequel la sensibilité du capteur demeure pratiquement constante. Dans cet exemple, la fréquence de résonnance (Fres) est de 30 KHz et sa bande passante de 2Hz à 12 KHz. La réponse de l’accéléromètre sera correcte si les mesures se font entre 2Hz et 12KHz.

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Fixation de l’accéléromètre sur le palier : � le montage de l’accéléromètre sur la

structure à une influence considérable sur la réponse du capteur. Plus la fixation est rigide, plus la réponse s’élargit vers les hautes fréquences.

� Valeur de bande passante : • vissé 0 à 12KHz (très bonne réponse

mais pas toujours réalisable) ; • collé 0 à 12KHZ (une pastille peut

être collée est le capteur vissé sur cette pastille) ;

• aimant 0 à 2 à 2,5 KHz ; • tenu à la main 0 à 1KHz (à n’utiliser

que dans le cadre de mesure comparative)

Compte tenu des 2 points précédents concernant la bande passante, on doit s’assurer en choisissant un accéléromètre et son mode de fixation que la gamme de fréquence (bande passante) de l’ensemble accéléromètre plus fixation couvre la gamme de fréquence de mesure désirée.

1.4.1.2 les sondes de déplacement : Constitution : un champ magnétique est crée dans l’intervalle entre l’extrémité de la sonde et l’arbre. Le déplacement de celui-ci modifie le champ magnétique ce qui engendre un courant proportionnel au déplacement de l’arbre.

1.4.2 Les points de mesure : Localisation des points de mesure :

� Les mesures de vibrations sont réalisées au droit ( ? ) des paliers de la machine ; � Le capteur doit être placé de façon à assurer un trajet direct (rotor-structure) aux vibrations.

Direction des mesures :

Les mesures peuvent se faire :

- dans un plan radial (vertical :V, horizontal :H, oblique :O)

- et/ou dans un plan axial (axial :A)

Exemple : Représentation graphique des directions des points de mesure : Palier 1 : mesure en horizontale 1H et en verticale 1V Palier 2 : mesure en horizontale 2H et en verticale 2V et en axiale 2A Palier 3 : mesure en horizontale 3H et en verticale 3V et en axiale 3A Palier 4 : mesure en horizontale 4H et en verticale 4V

Numérotation des paliers : Machine entraînante � machine entraînée

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1.4.3 Les appareils de mesure : On distingue fondamentalement 2 types de surveillance :

� Surveillance on-line (les capteurs sont installés à demeure sur les machines et connectés à un système de surveillance)

� Surveillance off-line (les mesures sont réalisées à intervalles réguliers par un opérateur équipé d’un mesureur ou d’un collecteur de données)

Le mesureur relève le niveau global de la vibration sur une large gamme de fréquence. Cela représente l’état de la machine et indique son évolution. L’analyseur (les mesures sont alors faites avec un collecteur de données) permet de tracer le spectre (analyse fréquentielle). Nous pouvons donc identifier les défauts (diagnostic) et les suivre (comparaison des raies, correspondantes au défaut, avec un spectre de référence ou signature).

1.5 INTERPRETATION DES MESURES : 1.5.1 Introduction : Les paramètres étant définis, la surveillance consiste à : Collecter périodiquement les mesures permettant l’extraction des paramètres ; Comparer les valeurs à des seuils pré-définis ; Suivre l’évolution dans le temps des valeurs atteintes pour chacun d’eux (historiques d’évolution) Interpréter les évolutions et dépassements de seuils (élaboration du diagnostic) Analyser les spectres et signaux temporels acquis pour affiner ou confirmer le diagnostic.

1.5.2 Comparaison aux seuils : Les seuils prédéfinis sont généralement au nombre de deux : Seuil alarme : indique qu’un changement significatif est intervenu. La machine peut généralement continuer de fonctionner durant la phase d’analyse. Seuil critique ou d’admissibilité : niveau au delà duquel la poursuite du fonctionnement de la machine peut provoquer une avarie. Une intervention est requise.

1.5.3 Détermination des seuils : Ils peuvent provenir :

� Des normes : la norme ISO2372 donne des seuils qui ne dépendent que de la puissance de la machine et de son type de fondation. Ces seuils sont basés sur la valeur efficace RMS de la vitesse vibratoire entre 10 et 1000Hz. Plutôt que Vrmsmaxi, il vaut mieux à l’évolution de Vrms. La norme préconise une alerte pour un accroissement de facteur 2,5 (changement de classe de qualité) et une réparation pour un accroissement de facteur 10 (passage de classe « bon » à « inacceptable ».

� Des préconisations constructrices ; � D’un état de référence : les valeurs des seuils sont extrapolées

des valeurs des paramètres prélevées à un moment ou l’état de l’installation était jugé satisfaisant.

Exemple :

Seuil danger : seuil admissibilité valeur déterminée par seuil d’alarme x2,5 donc 5mm/s Seuil Alarme : valeur déterminée par niveau référence x2 donc 2mm/s Niveau de référence : correspond à un état satisfaisant (neuf ou réparé) valeur 1mm/s

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1.5.4 Exploitation des mesures : Analyse de tendance :

� Analyse globale de la vibration, on suit l’évolution de la valeur.

� Toute anomalie est traduite par une fréquence correspondante à celle du phénomène qui la provoque. � Exemple : moto-ventilateur

Le moteur (1489 T/mn) entraine un ventilateur (1164T/mn) par l’intermédiaire d’une transmission par courroie. F1 : fréquence rotation moteur 24,89Hz. Sur le spectre apparaît un pic à la fréquence F1 (amplitude 0,003g) et on distingue une harmonique à 3F1 (74,4Hz, amplitude 0,02g) ce qui traduit un balourd sur l’arbre moteur (voir $17)

F2 : fréquence rotation ventilateur 1164T/mn 19,43Hz. Sur le même spectre apparaît un pic à la fréquence F2 (amplitude 0,06g) et on distingue une harmonique à 2F2 (38,86Hz, amplitude 0,025g) ce qui traduit un balourd sur l’arbre du ventilateur (voir $17) Le balourd sur l’arbre du ventilateur semble plus important que celui de l’arbre moteur (l’amplitude de la raie à F2 :0,06g est plus grande que celle à F1 :0,003g)

Temps

Seuil alarme

Seuil critique ou admissibilité

Evo

lutio

n d

u p

aram

ètre

Périodes modifiées Visites rapprochées

(Suivi de la dérive, délai de réparation)

Périodes de visite normales

Diagnostic du défaut si nécessaire et prédiction de la date de défaillance

Courbe de tendance

1ère mesure. Valeur de référence (signature) équipement neuf ou en bon état

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1.6 Documentation : (voir feuille 12a et 12b) Des documents peuvent être réalisés et inclus dans le plan de maintenance (partie plan de maintenance conditionnelle). Ils définiront la surveillance à réaliser sur les équipements choisis.

� Fiche inventaire : tous les équipements suivi en surveillance sont listés (nom, référence, localisation) � Fiche implantation : situation des équipements sur un plan de masse et tracé du chemin (route) à suivre

pour réaliser la collecte. Par équipement :

� Fiche cinématique (doc1fig1) : cinématique des équipements avec mise en évidence des paliers. � Fiche position points (doc1fig2) : mise en évidence des points de mesure sur l’équipement ainsi que des

directions (croquis, schémas, photos) � Fiche mesure (doc1fig3) : définition des points de mesure (position, direction, unités, alarmes) et indication

des conditions de mesure. � Fiche technique (doc2fig1) : caractéristiques des équipements et de certains composants (roulement,

courroie, turbine…) � Fiche analyse (doc2fig1) : mise en évidence de toutes les fréquences caractéristiques des composants. � Pour le suivi : � Fiche tendance (doc2fig3) : utilisée si le suivi se fait manuellement et non par un logiciel spécifique de

traitement. On crée une fiche par position, par direction et par unité.

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