Comprendre la vibrationde moteur par lanalyse FFT

Page1. Introduction ....................................................................................... 22. Spectre de vibration dun ventilateur entran par courroie ............... 43. Le suivi de tendance pour la maintenance conditionnelle .................. 64. Stratgie de maintenance conditionnelle Niveau 1/Niveau 2 .............. 85. Niveaux vibratoire suivant ISO/DIS .............................................. 106. Composants moteurs les plus vulnrables .................................. 127. Dsquilibre et dsalignement ......................................................... 148. Dfauts stationnaires, asymtrie du champs ............................... 169. Dfaut tournant ......................................................................... 18

10. Diagnostic pratique: dfaut dquilibrage ........................................ 2011. Diagnostic pratique: dfaut d'alignement .................................. 2212. Diagnostic pratique: excentricit statique ................................... 2413. Diagnostic pratique: jeu dans la poulie ....................................... 2614. Paramtres dvaluation de roulement ....................................... 2815. Normalisation de mesure donde de choc ................................... 3016. Diagnostic de lendommagement dun roulement ...................... 3217. Diagnostic pratique: dommage de bague interne ....................... 34

Contents

1. Introduction

Ces dernires annes, la surveillance et lediagnostic vibratoire sont de plus en plusutiliss pour dterminer ltat de machines.Mme les machines de taille moyennes etpetites sont aujourdhui inclues dans la strat-gie de maintenance conditionnelle. Une desraisons de ceci est la baise sensible du cotdes quipements actuels de mesure des vibra-tions.Par ailleurs, lintrt des lectriciens pourlanalyse vibratoire a galement connu undveloppement substantiel ces dernires an-nes parce que les utilisateurs de machinestournantes souhaitent dune part une signa-ture danalyse vibratoire de leurs machines etdautre part un suivi priodique de leursmachines. Cette dernire a cr une nouvelleactivit pour les socits de service en assu-rant la maintenance conditionelle auprs desentreprises qui ne souhaitent pas la raliser

eux mmes. Dautre part le diagnostic vibra-toire est un instrument fantastique pour lalocalisation des dfauts et les causes de dom-mages des machines. Elle peut galementtre utilise comme dfense objective pourdmontrer p.ex. lutilisation abusive lors dedommages de machines pendant la dure degarantie.

EDITION Mars 1998Nr. de Cde. VIB 9.619F

Le contenu a t publi lorigine comme prsentation parM. Luft, PRUFTECHNIK AG. Copyright 1998 PRUFTECHNIK AG. Tous droits rservs.

4Examinons un exemple pratique simple pourillustrer les possibilits de lanalyse vibratoire :des mesures importantes furent mesures surun ventilateur a entranement par courroie. Leniveau vibratoire tait important ct pouliemoteur et ct poulie du ventilateur, lanalysespectrale montra clairement un balourd lafrquence de rotation de larbre ventilateursoit 13,67 Hz. Aprs quilibrage de la pouliect ventilateur, la vibration diminua 2,3mm/s ct ventilateur et 3,2 mm/s ct mo-teur.

Ceci est un cas typique pour la maintenanceconditionnelle. Les instruments de niveau 1,peuvent trs bien diagnostiquer lapparitiondun dfaut sur une machine (dans ce cas unevibration excessive), lanalyse vibratoire ensui-te permet de connatre la ou les raisons decette vibration excessive (dans ce cas unbalourd la frquence de rotation de larbreventilateur 13,67 Hz).

2. Spectre de vibration dun ventilateur entran par courroie

5Spectre de vibration dun ventilateurentran par courroie

1. Mesure globalede la svrit des vibrationsen vertical sur les paliers

15,2 mm/s

11,3 mm/s

Mesure sur palier ventilateur cot poulie,en radial vertical

Fvert

= 13,67 Hz

Fvert

= 13,67 Hz

2. Spectre FFT sur les paliers

Ventilateur d'extraction (P = 37 kW)

Moteur: 1475 tr/min = 24,58 Hz Ventilateur: 820 tr/min = 13,67 HzMesure sur palier moteur cot poulie,en radial vertical

63. Le suivi de tendance pourla maintenance conditionnelle

Une approche conomique mais efficace de lamaintenance conditionnelle peut tre faitepar le suivi de tendance. Les mesures detendance sont faites et enregistres interval-les rguliers et elles sont compares desniveaux dalerte et dalarme. Lorsque les ni-veaux dalerte et dalarme sont dpasss, uneintervention est planifie ou au besoin, uneanalyse vibratoire plus approfondie est rali-se pour dterminer la cause du problme.Examinons ensemble les techniques de mesu-re et danalyse de vibration particulires auxmoteurs lectriques.

7Mise en place

n Suivi des tendances ON-LINE et OFF-LINE, Niveau 1

n Mesure d'un spectre de rfrence (Etat de fonctionnement de la machine correct)

nMesure automatique des spectres ds le dpassement d'alarme

n Analyse spectrale manuelle approfondie

Le suivi de tendance pour lamaintenance conditionnelle

Spectre OFF-LINE Spectre Analyse spectrale approfondie OFF-LINE

Alarme

Pr-Alarme

Amplitudevibratoire

Temps

Spectre

8Pour raliser une bonne maintenance condi-tionnelle, il faut mesurer intervalles rguliersles niveaux globaux de vibration suivant cer-taines spcifications. Laugmentation du ni-veau vibratoire est un signe de dtriorationde la machine. Ce type de mesure globale estconsidr comme de niveau 1 comme indiquci-contre. Il permet la surveillance dun parcmachines lev sans investissement importanten matriel et en personnel.

Les mesures de niveau 1 ne sont pas toujourssuffisantes pour une localisation des dfauts.Dans ce cas lanalyse spectrale permet dedterminer les frquences caractristiques (ni-veau 2) et de diagnostiquer dans la plupartdes cas lorigine des problmes. Le diagnosticde niveau 2 ncessite une mesure avec unanalyseur de vibration FFT et dun personnelqualifi ayant une exprience dans linterpr-

4. Stratgie de maintenance conditionnelle Niveau 1/Niveau 2

tation des spectres de vibration mais aussi uneexprience des machines (mcanique, lectri-ques, ..).

9Niveau 2: Analyse des vibrations et diagnosticsaprs dpassements des seuils- Machines cibles et mesures ponctuelles- Mesures uniques et fonctions de la machine- Intervention d'un spcialiste

Surveillance des machinesSvrit de vibrationEtat des roulementsCondition de fonctionnement des roulements

Unitsv

eff: Vitesse de vibration suivant ISO 2372/VDI 2056

smax: Dplacement suivant ISO 7919/VDI 2059aRMS, a0-P: AcclerationdBm, dBc: Onde de chocs dgages par les paliers roulementsT: Temperaturen: Vitesse de rotationdB

cav: Cavitation

Dceler les dfauts mcaniquesBalourds, dfauts d'alignement d'arbres, usuresdes engrenages, turbulences, dfauts lectriques,tat des lments de roulement

Signaux et outils utilissSpectres,Enveloppe,Signal temps,Diagramme de Bode,Cepstre,Cinmatique des machines...

Stratgie Niveau 1 / Niveau 2

Niveau 1: Units mesures - Surveillance destendances par rapports aux seuils- Parc machines surveill trs importants- Mesures rapides sur un temps trs long (= MTBF)- Personel sans qualification particulire

veff enmm/s

temps

10

8

6

4

2

0

10

8

6

4

2

00 500 1000 1500

a

enmm/s

10

Actuellement, les standards internationauxsont en pleine mutation. La valeur effective(RMS) de vitesse de vibration entre 10Hz et1000 Hz est nanmoins toujours utilises etaccepte pour dterminer la condition demoteurs lectriques. Le niveau vibratoire me-sur est compar des niveaux de svritfixes. La condition de la machine est diviseen quatre catgories: bon, satisfaisant ,acceptable et inacceptable. Le diagrammeci-contre montre la norme actuellement valideISO 2372 qui reprend 4 types de machines. Cestandard sera bientt remplace par la nou-velle norme ISO 10816, actuellement enphase dapprobation.

5. Niveaux vibratoire suivant ISO/DIS

Pour les gros moteurs paliers lisses (au-dessus de 1000kW), la simple mesure devibration est insuffisante. La mesure ralisesur le corps de machine est tellement amortiequelle ne reprsente plus ltat de balourd durotor. Dans ce cas des mesures particuliressur les paliers sont prises par des capteursspciaux,.

1ISO 2372Vibration mcanique de machines vitesse de fonc-tionnement comprise entre 10 et 200 tr/sec. Basepour les standards dvaluation 11/1974 avec amen-dement 07/1983.2DIN ISO 10816 -3Evaluation de vibration mcanique de machines parmesure sur des parties non rotatives; Part 1: directionsgnrales.3ISO 3945Vibrations mcaniques de grandes machines pour desvitesses de 10 200 tr/min. Mesures et valuations devibrations sur site 12/1985.

11

4

4

Niveau vibratoire suivant ISO/DIS

Velo

cit de vib

ration

RM

S

ISO 2372ISO/DIS 10816-3

15 kW - 300 kW 300 kW - 50 MW

rigide elast. rigide elast. S M L T

45

28

18

11

7

4.5

2.8

1.8

1.1

0.7

0.45

0.28

mm/s

inacceptable

acceptable

satisfaisant

bon

Endommagementsen progression

rduit

sans restriction

Dure de fonc-tionnement

installation rcente

12

Cette illustration prsente les composants demoteur qui sont vulnrables aux dommages.Certains types de dommages engendrent desspectres de vibration spcifiques que nousallons dcrire en dtail.

6. Composants moteur les plus vulnrables

13

Composants moteurs les plus vulnrables

Dfaut roulement

Dfaut tournant (rotor) Dfaut stationnaire (stator)

Dfaut d'accouplement

14

Une masse de rotor mal quilibre sappelleun balourd. Lorsquune masse mal quilibreest mise en rotation, il en rsulte une forcecentrifuge qui accentue la charge sur lesroulements et une vibration du rotor lafrquence exacte de rotation. Ceci est lacaractristique spcifique dune machine malquilibre, on constate une pointe leve enamplitude la frquence de rotation. Lacorrection de ce problme se fait par unquilibrage sur site ou aprs dmontage etentretien en atelier. La rfrence #3 indiqueun balourd rsiduel acceptable pour un rotorrigide.

Le mauvais alignement darbre de machinesaccouples directement se traduit par unevibration leve deux fois la frquence derotation, mais parfois la frquence de rota-tion. Si lcart de concentricit domine, unemesure leve de vibration sera constate endirection radiale (perpendiculaire larbre). Sipar contre lcart de paralllisme domine, unemesure leve de vibration sera constatedans la direction axiale de la machine. Denombreux fabricants et socits de service ontchoisi un outil moderne dalignement au lasertel que lOPTALIGN ou le ROTALIGN pourcorriger les carts dalignement. Les tolran-ces recommandes dalignement sont reprisesdans la note #4.

7. Balourd de moteur / Mauvais alignement des arbres

3 ISO 3945Vibration mcanique de grandes machines avecvitesse de rotation de 10 200 tr/sec. Mesures etvaluation des vibrations sur site 12/1985.4OPTALIGN PLUSMode demploi et manuel dalignement.PRUFTECHNIK AG, Ismaning, Allemagne 03/1997.

15

Balourd de rotor/ Mauvais alignement darbre

Balourd

Amplitude 1 x fn trop leve

nFrquence de rotation fn=tr/min /60nStandard dvaluation : ISO 2372,ISO/DIS 10816-3

Alignement darbre

Deux (2x) la frquence de rotation 2fn

nRadial: dsalignement concentrique (2fn)nAxial: dsalignement angulaire (fn)

f en Hzfn 2fn

mm/s

f en Hz

mm/s

fn

16

Lasymtrie du champs de moteurs lectri-ques peut tre caus par un dfaut de larma-ture du stator ou du rotor.Les dfauts les plus rpandus sont:

Excentricit statique, entrefer non constantsans dfaut dangle (concentrique unique-ment)

Dsquilibre de phase Dfaut disolement Spires en court-circuit, point chaud

Lasymtrie du champs est mis en videncepar une amplitude deux fois la frquencedalimentation, sans bandes latrales.

8. Dfauts stationnaires, asymtrie du champs

17

2fAlim

Deux fois la frquence d'alimentation est visible

Frquence d'alimentation fAlim = 50 ou 60 Hz

Exception: Variateur de frquence d'alimentation

Pas de bandes latrales visible 2fAlim

Machines bi-polaires:Prsence de la deuxime harmonique de lavitesse de f

n (vitesse de rotation)

99.0 101.0

Dfauts stationnaires, asymtrie du champs

f en Hzfn

mm/s

f en Hz2fn

2fAlim

mm/s

Asymetrie du champs du stator

n Excentricit statique, l'entrefer est contant tout au long d'une gnratrice, du la dformation du support ou mauvais centrage des paliers

nDfaut d'isolement

nDsquilibre de phase

nSpires en court circuit

18

Lasymtrie du champs rotorique est causpar:

Barres rotoriques casses, fissures, desser-res ou

Tles ou spires de rotor en court-circuit ou

Dfaut rsistif sur les liaisons barres-an-neaux

Anneaux de court-circuit fissurs ou casss

Ces dfauts peuvent tre dtects sur lespectre vibratoire par la mise en vidence de:

Rpartition asymtrique des bandes latra-les espaces de deux fois la frquencedalimentation par rapport la frquencedencoches

Frquence principale dalimentation avecbandes latrales espaces de la frquencede glissement.

9. Dfaut tournant

19

Dfaut tournant

Frquence d'encoches fbar (ou de barres) visible avecbandes latrales 2fAlim d'intervalles

fbar = fn x nbarfn tant la vitesse de rotation etnbar = le nombre de barres (ou encoches)

Frquence d'alimentation: fAlim = 50 ou 60 Hz

Bandes latrales visibles autour de 2fAlim en intervales fglisFrquence de glissement fglis = 2fAlim/p - fnet p = nombre de ples statiques

99.0 101.0 f en Hz2fn

2fAlim

(100 Hz)

mm/s

fbar f en Hzfn 2fMains

mm/s

n Barres rotoriques casses ou fissures

n Tles de rotor en court circuit

n Dfauts rsistifs sur liaison Anneaux-Barres

20

Le spectre de vibration nous montre limagetype dun balourd. La svrit des vibrationsmesures sur plusieurs points de la machinecomme indiqu ci contre indique la sourcedexcitation est proche de laccouplement. Unsimple quilibrage du disque de freinage r-duira la svrit de vibration 3,5 mm/s sur lemoteur et 3,1 mm/s sur le rducteur.

10. Diagnostic pratique: dfaut dquilibrage

21

Diagnostic pratique: dfaut d'quilibrage

Rducteur de convoyeur bandeP = 600 kWn = 996 tr/min (fn = 16,6 Hz)

Svrit des vibrations Moteur RducteurA, RH en mm/s 3,1 -A, RV 7,8 9,2A, AX 5,3 6,2B, RH 4,4 -B, RV 6,8 -

Cause: Balourd sur le frein

Rducteur, radial vertical, cot frein Rducteur, axial, cot frein

RducteurFreinMoteur

fn = 16.6 Hz (balourd)

fn = 16.6 Hz (balourd)

AB

22

Le spectre de vibration montre nettement uneamplitude deux fois la frquence de rota-tion, ce qui indique clairement un dfautdalignement laccouplement. Aprs aligne-ment des axes de rotation, le pic a disparu. Lafrquence une fois la frquence de rotationest un balourd quil faudra encore corriger.

11. Diagnostic pratique: dfaut dalignement

23

Diagnostic pratique: dfaut d'alignement

Turbine hydraulique - gnrateur - rducteurP = 55 kWn = 1000 tr/min (fn = 16,67 Hz)

Svrit de vibration Gnrateur RducteurRH 9,5 1,5 mm/sRV 4,1 -AX 4,4 -

Alignement vertical Avant AprsOuverture ( = 170 mm) 0,42 mm -0,02 mmConcentricit 0,44 mm 0,05 mm

Cause: dfaut d'alignement

Gnrateur, mesure palier, avant lignage Aprs lignage

fmoteur2fgnrateur = dfaut d'alignement

fgnrateur

2fgnrateur = bon alignement

RducteurGnrateur

24

La grande vibration du moteur a attir latten-tion, mme lorsque celui ci fut dsaccoupl.La pointe trs leve de vibration 2x lafrquence dalimentation montre un dfautstationnaire (stator). Aprs dmontage, il ap-parat que le stator est en rupture suite a uncourt-circuit local du bobinage. Le moteur at remplac.

12. Diagnostic pratique: excentricit statique

25

Diagnostic pratique: excentricit statique

Ventilateur d'extraction en sidrurgie

P = 250 kWn = 2999 tr/min (fn = 50 Hz)

Svrit de vibration:

Moteur, palier RH 4,8 mm/s

Cause: rupture du stator

Moteur, palier radial horizontal Zoom autour de 100 Hz

2fAlim

Asymtriedu champ

2fAlim

Asymtrie du champ

Moteur

Ventilateur

26

Un moteur dvelopp de svres vibrationset produisait des bruits inhabituels, de plus enplus prononcs jour aprs jour. A la diffren-ces des spectres que lon a lhabitude de voir,la frquence de rotation tait difficilementvisible. Les harmoniques taient par contretrs apparents. Ces symptmes restent in-changs lorsque la courroie est enleve dumoteur. Le problme a t rsolu en refixantcorrectement la poulie desserre sur larbredu moteur.

13. Diagnostic pratique: jeu dans la poulie

27

Diagnostic pratique: jeu dans la poulie

Ensemble moteur - soufflanteP = 200 kWMoteur: 1486 tr/min = 24,77 Hz

Svrit de vibration

Moteur:- cot poulie 6,9 mm/s- cot opp. poulie 7,1 mm/s

Cause: jeu excessif dans le montage de la poulie moteur

Moteur, cot poulie, avant rparation Aprs rparation

fmoteur

= 24,77 Hz

Ventilateur

Entrainementcourroie-poulies

fmoteur = 24,77 Hz

28

Le dbut dendommagement des roulements,ne peut tre dtect par les mthodestraditionnelles de mesure de vibration bassefrquence. La raison de ceci sexplique par lefait que lorsquune bille ou un rouleau passesur chemin de roulement endommag il y aune onde de choc qui ne peut se mesurer quedans une chelle hautes frquences. Cestpour cette raison que des mthodes de mesu-re hautes frquences pour la mesure globaledtat de roulements furent utiliss. Il ny apas de standard international pour ce type demesure, de ce fait une multitude de principesont vu le jour.

La liste ci-contre montre les mthodes les plusconnues. En Allemagne par exemple, la m-thode donde de choc fut implante il y a dj25 ans comme technique de mesure pourdterminer ltat de roulement. La diffrence

de cette mthode par rapport aux autres cestquelle utilise deux paramtres pour lvalua-tion: londe de choc Max pour dterminer lagravit de lendommagement et la valeurTapis pour indiquer londe de choc de base duroulement dpendant de la charge et de lalubrification.

Une caractristique typique de tous les para-mtres pour dterminer ltat de roulementest leur dpendance la vitesse des lmentsroulants. Il est de ce fait ncessaire de norma-liser les mesures cette vitesse ou de raliserdes mesures comparatives .

14. Paramtres dvaluation de roulement

29

n Ondes de choc

n K(t) mthode

n Spike energy

n Valeur BCU

n Facteur Curtosis

n Facteur GSE

n Facteur SEE

n Facteur Crest accel.

Paramtres dvaluation de roulement

Caractristiques valeurs globales:lvaluation efficace demande toujours:

Valeur initiale? Tolrance?

Vitesse de croissance dans le temps?

30

Lillustration ci-contre montre la procdure denormalisation des instruments de PRUFTECH-NIK pour la mesure donde de choc afin decompenser linfluence de la vitesse des l-ments roulants.La valeur initiale dBia est dtermine enprenant une mesure comparative en bonnecondition. Ceci sert de rfrence pour lamesure de la valeur Max dBm et pour la valeurtapis dBc. Cette procdure permet la mesurede diffrents roulements en utilisant la mmechelle et de ce fait les tolrances ne doiventpas tres dtermines individuellement pourchaque location de mesure.

15. Normalisation de la mesure donde de choc

31

Normalisation de la mesure donde de choc

Mesure non normalise

Valeur donde de choc max. dBm et la valeur tapis dBccomme niveau absolu en dBsv

Mesure normalise

Valeur donde de choc max. dBm et la valeur tapis dBccomme niveau relatif en dBsv rfrenc la valeur

n Les niveaux (limites) sont mis individuellementpour chaque localisation

dBm

dBC

Normalisation

dBm

dBCdB

ia

Alarme

Alerte

Alarme

Alerte

n La valeur dBia comprend les facteurs dinfluence devitesse, amortissement de signal, charge sur roult

n Aprs avoir dtermin la valeur dBia, les mmes

niveaux (limites) sont utiliss pour chaque localisation

dBn

40

dBsv

70

0

0

32

Tout comme le diagnostic vibratoire par me-sure spectrale, un diagnostic avanc de roule-ment peut tre ralis par lanalyse du signaldenveloppe.

Lillustration ci contre explique la procduredanalyse denveloppe qui commence par lefiltrage des chelles de frquence appropriesque contient le signal mit par le roulementpendant le fonctionnement. Ce signal estensuite examin au niveau des impulsions quisont mises lorsque les lments roulants duroulement passent sur un endroit endomma-g. La dmodulation est utilise pour calculerla courbe qui enveloppe le signal du roule-ment. Si lintervalle en temps entre les pointespriodiques dans la courbe denveloppe at-teint une frquence critique caractristique dedommage de roulement, le roulement peuttre considr comme tant endommag.

16. Diagnostic de lendommagement dun roulement

Cette procdure permet un diagnostic prcisdtat de roulement, mme lorsque des si-gnaux perturbateurs dengrenages couvrentle signal du roulement. La mthode demandecertaines donnes sur le roulement : le diam-tre moyen du roulement, le nombre et lediamtre des lments roulants, langle decharge et la vitesse de rotation.

33

Diagnostic de lendommagement dun roulement

Signal temps Signal temps

Spectre de courbe denveloppe Spectre de courbe denveloppe

m/s

m/s

m/s

m/s

Ta

fa

2fa

etc.

temps

f en Hzf en Hz

temps

Frquence de dommage fa = 1/Ta

Courbe d'enveloppe

Courbe d'enveloppe

Sans dommages Dommages

34

Cet exemple montre un dommage avanc dela bague interne du roulement.

La grande volution du niveau donde de chocet spcialement la valeur Max qui passe de 18 48 dBsv, signifie un srieux dommage duroulement.

Lanalyse du spectre denveloppe montre undfauts la frquence caractristique de labague interne. Ceci a t confirm lors duremplacement, la surface endommage sur labague interne couvrait environ 15 x 15 mm.

17. Diagnostic pratique: dommage de bague interne

35

Diagnostic pratique: dommage de bague interne

fi = Frquence caractristiquede la bague interne

Bague interne intact

Mesure palier A Mesure palier B

Courbe d'enveloppe Courbe d'enveloppe

Ventilateur d'extraction sur une ligne de peintureP = 110 kWMoteur: 1307 tr/min = 21,78 HzVentilateur: 908 tr/min = 35,75 Hz

Roulement: 22218 rouleaux

Ondes de chocs dBm dBc

Palier roulement A 48 29 dBSVPalier roulement B 18 7 dB

SV

Cause: Dfaut sur bague interne de roulement

Dfaut bague interne

A B

36

La technologie de maintenance efficace

PRUFTECHNIK S.A.R.L.Parc dActivits LavoisierEspace F. LinquetteF - 59494 Petite FortTlphone: 27 25 52 33Tlcopie: 27 25 55 69