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Analyse vibratoire

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N°1 au Hit-Parade des techniques de maintenance conditionnelle, l’analyse vibratoire représente 50% du marché. Complémentaire de la thermographie infrarouge et du diagnostic par analyse d’huiles, cette méthode est devenue incontournable pour la surveillance des machines tournantes, grâce à sa facilité de mise en œuvre et à la richesse du signal dynamique mesuré.

L'ANALYSE VIBRATOIRE : À QUOI ÇA SERT ?

“Les vibrations sont la manifestation la plus évidente de l'apparition de contraintes sur une machine tournante.”
Dans le cadre de la mise en œuvre d'un programme de maintenance conditionnelle, il faut choisir les paramètres représentatifs de l'état réel de la machine (bruit, vibration, température, analyse d'huile, usure...). Les vibrations sont la manifestation la plus évidente de l'apparition de contraintes sur une machine tournante. C'est la réponse de la structure (mobilité) à l'excitation des forces internes et externes (Vibrations = Force x Mobilité). La mesure vibratoire permet d'affirmer qu'une machine présente un défaut et de définir quel est l'organe défectueux.
L'ANALYSE VIBRATOIRE : COMMENT ÇA MARCHE ?

Pour collecter les données nécessaires à la mesure et à l'analyse, on utilise des capteurs dont le rôle est de transformer l'énergie mécanique dispensée par la machine en un signal électrique proportionnel mesurable de manière reproductible. Il existe trois types de capteurs :

1. Les capteurs de déplacement
Capteurs sans contact à courants de Foucault. Réservés à la mesure relative d'arbre (paliers fluides). Leur installation est délicate.

2. Les capteurs de vitesse
Capteurs électrodynamiques. Ils présentent de bonnes caractéristiques de sensibilité et d'endurance mais possèdent une réponse en fréquence réduite (2000 Hz). Ils sont réservés à la mesure absolue de paliers des machines lourdes ou à la surveillance permanente.

3. Les capteurs d'accélération
Capteurs piezzo-électriques. Ce sont des capteurs tous terrains avec une large couverture de la gamme de fréquence (35 KHz). Ils sont indispensables pour la mesure absolue des phénomènes hautes fréquences (roulements, engrènements...). Les électroniques de mesure sont capables d'intégrer les signaux d'accélération (m/s2) en vitesse (mm/s) ou en déplacement (µm).
COMMENT TRAITER L'INFORMATION MESURÉE ?

Il existe plusieurs types de traitement de l'information. Utilisée dans le cadre du suivi des machines, la « mesure globale » consiste à effectuer une moyenne quadratique des différentes composantes du signal et de restituer un chiffre représentatif de la tranquillité de marche. La principale norme concernant cette mesure (AFNOR E 90 100/300 avec correspondance ISO et VDI) impose les critères de mesure suivants :
- Filtre entre 10 et 1000Hz
- Unité : Vitesse efficace en mm/s
- Mesure sur palier et fondations dans les 3 axes

Elle permet d'interpréter les résultats en fonction de la puissance de la machine et du type de fondation. L'autre technique de diagnostic couramment utilisée est à proprement parler « l'analyse vibratoire ». Cette technique utilise différents outils dont le plus courant est le spectre. C'est le résultat d'un traitement particulier (FFT) qui donne la représentation du signal en amplitude fonction de la fréquence. Toutes les composantes du spectre peuvent être reliées à un élément de la chaîne cinématique ou à un type de défaut particulier. Les autre outils de diagnostic comme le Cepstre, l'analyse d'enveloppe ou de modulations, permettent d'affiner les recherches sur des machines particulières.
COMMENT FAIRE QUAND LES MACHINES SONT ANCIENNES ET QU'ON NE DISPOSE PAS DE MESURES DE RÉFÉRENCE ?

“Dans le cadre de la maintenance conditionnelle, l'évolution de la valeur dans le temps est plus significative que la valeur instantanée.”
Dans le cadre de la maintenance conditionnelle, l'évolution de la valeur dans le temps est plus significative que la valeur instantanée. Considérons la courbe « en baignoire » représentative de la vie d'une machine : la première phase représente la période de rodage, la seconde la durée d'exploitation normale et la troisième la dégradation avec, a l'extrême, la panne. L'important est de pouvoir déterminer dans qu'elle phase se trouve la machine à surveiller. Pour une machine neuve ou réparée, des mesures rapprochées effectuées jusqu'à stabilisation démontreront qu'on se trouve dans la phase de vie normale. Les mesures pourront donc être espacées normalement. Pour une machine ancienne, des mesures effectuées de la même manière montreront, si elles sont stables, que nous sommes dans la phase de vie normale de la machine (les mesures pourront être espacées), si elles donnent des résultats croissants, qu'on se trouve dans la troisième phase (dégradation). Les mesures devront être alors plus fréquentes encore que dans la période de test. Les périodicités de mesure dans la phase 2 dépendent de la criticité et surtout de la complexité de la machine. Cela peut aller de 4 mois pour une machine standard avec une durée de vie calculée de 5 ans (pompe ou moteur électrique par exemple), jusqu'a 2 semaines pour une machine complexe et fragile ou une machine sujette a l'usure (ventilateur de cimenterie ou de sidérurgie par exemple). Il est évident que dans ces cas extrêmes, il est plus judicieux de mettre en place un système de mesure permanent (On Line).
PARTICULARITÉ DES MACHINES ALTERNATIVES

Les techniques d'analyse vibratoire utilisées pour les machines tournantes ne sont pas pertinentes dans le cadre de la surveillance de machines alternatives : moteurs thermiques, compresseurs alternatifs, pompes à pistons ou à membranes... En effet, le cycle d'une machine alternative est constitué d'une succession d'événements tels que la compression brutale, le saut de piston à son inversion de sens, la combustion, le mouvement des soupapes... Ces phénomènes de courte durée s'apparentent à des chocs périodiques liés au cycle de la machine. Ces chocs excitent les résonances de structures. Il en résulte un signal vibratoire comportant de très nombreuses harmoniques de la fréquence de rotation masquant les défauts mis en évidence par les techniques habituelles d'analyse spectrale.
QUID DES MACHINES TOURNANTES À FAIBLE VITESSE DE ROTATION ?

L'efficacité du paramètre vibration est directement lié à l'excitation dynamique générée par la machine. Sur une machine lente, cette énergie est, a taille de machine égale, plus faible. Heureusement, les machines lentes sont en général des machines de taille importante: Turbines hydroélectriques, machines a papier, éoliennes... Ces machines, en raison des masses en mouvement, génèrent une énergie largement suffisante. Elles sont particulièrement adaptée à une surveillance vibratoire On Line. Dans ce cas, on peut employer des techniques de diagnostic particulières comme l'analyse du signal temporel et les filtres suiveurs. Cependant, la fréquence de 1.2 a 1.5 Hz semble toutefois être la limite basse.
QUELS SONT LES DIFFÉRENTS OUTILS POUR L'ANALYSE VIBRATOIRE ?

1. Les collecteurs de données portables Off Line
Ces appareils effectuent les mesures suivant une périodicité définie. Ils présentent l'ensemble des caractéristiques de mesure nécessaires, avec une mémoire interne importante pour stocker les données. Ils doivent communiquer facilement avec un PC. En raison du nombre important d'informations à collecter dans une ambiance industrielle, les fonctions de gestion des routes de mesure, de dialogue avec l'opérateur, d'ergonomie et de poids sont des paramètres de choix essentiels. Certains appareils proposent des fonctions correctives supplémentaires comme l'équilibrage sur site ou le lignage d'arbre au laser.

2. Les systèmes de surveillance permanente
Ces systèmes simples de mesure et de surveillance sont constitués d'un ensemble capteur/ électronique. Ils comparent les valeurs mesurées, généralement globales, à des limites préétablies et gèrent différents niveaux d'alarme et de transmission d'informations (relais...). La sécurité de la machine est assurée en continu.

3. Les systèmes de surveillance et de diagnostic On Line
Ils réunissent les deux fonctions de sécurité et de maintenance conditionnelle sur des installations à poste fixe. Ces systèmes s'appliquent parfaitement aux machines complexes, car les possibilités de traitements de mesure sont illimitées, ainsi qu'aux sites comportant un nombre important de machines à surveiller.

4. Les logiciels de traitement et les systèmes de communication
Les logiciels associés aux électroniques de mesure assurent le stockage des données, la mise à jour des historiques, la configuration des appareils, l'établissement de courbes de tendance, l'établissement de rapports, la gestion des alarmes et aides aux diagnostics (logiciels experts). Ils possèdent les fonctions nécessaires à leur intégration dans un ensemble de communication existant (Ethernet, Modbus, Profibus...).
EN CONCLUSION...

Si vous décidez d'investir dans l'analyse vibratoire, gardez à l'esprit ces quatre conseils, qui sont à l'origine de bien des déconvenues :
1. Ne négligez pas les contraintes de prise de mesure (capteurs)
2. Ne choisissez pas un matériel trop sophistiqué ou surdimensionné
3. Ne perdez pas de vue les objectifs : économie et augmentation de fiabilité
4. Ne sous-estimez pas le temps nécessaire à la formation et à l'obtention de résultats.
 

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