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L'analyse des vibrations est l'une des techniques de maintenance prédictive les plus puissantes et les plus largement utilisées, qui consiste à mesurer et analyser les profils de vibrations des machines rotatives pour détecter les défauts de développement avant qu'ils ne provoquent des défaillances catastrophiques. Comprendre comment analyser et atténuer correctement les vibrations peut signifier la différence entre un fonctionnement fluide et fiable et des défaillances coûteuses de l'équipement qui entraînent des temps d'arrêt imprévus et des risques de sécurité.

La complexité des phénomènes de vibration exige des ingénieurs et des professionnels de la maintenance qu'ils développent une connaissance complète des sources de vibrations, des techniques d'analyse et des stratégies d'atténuation. Cet article explore les principes fondamentaux de l'analyse des vibrations, examine les diverses sources d'oscillations indésirables, les méthodes d'analyse éprouvées et présente des stratégies efficaces pour réduire les problèmes liés aux vibrations dans la conception et le fonctionnement de la machine.

Les fondamentaux de la vibration de la machine

La vibration est simplement un mouvement aller-retour – ou oscillation – des machines et des composants dans les équipements motorisés. Bien que certains niveaux de vibration soient inhérents aux systèmes mécaniques, les vibrations excessives présentent de graves risques pour la fiabilité de l'équipement, l'efficacité opérationnelle et la sécurité au travail.

Ce qui constitue la vibration de la machine

En termes simples, les vibrations dans les équipements motorisés ne sont que le mouvement ou l'oscillation d'avant-garde des machines et des composants, tels que les moteurs d'entraînement, les dispositifs entraînés (pompes, compresseurs, etc.) et les roulements, arbres, engrenages, courroies et autres éléments qui composent les systèmes mécaniques.

Chaque machine rotative produit une signature de vibration unique en fonction de sa conception, de ses conditions de fonctionnement et de son état mécanique, et en comprenant ces signatures, les ingénieurs de fiabilité peuvent identifier des conditions de défaillance spécifiques.

Vibration normale contre vibration problématique

Les vibrations dans les équipements industriels peuvent être un symptôme, ou une cause, d'un problème, ou elles peuvent être associées à un fonctionnement normal – par exemple, les ponceuses oscillantes et les tumblers vibratoires comptent sur les vibrations pour fonctionner, tandis que les moteurs à combustion interne et les moteurs de vitesse subissent une certaine quantité de vibrations inévitables.

La plupart des appareils industriels sont conçus pour fonctionner sans heurt et éviter les vibrations, ne pas les produire, et dans ces machines, les vibrations peuvent indiquer des problèmes ou une détérioration de l'équipement — si les causes sous-jacentes ne sont pas corrigées, les vibrations non désirées elles-mêmes peuvent causer des dommages supplémentaires.

Les conséquences des vibrations excessives

The effects of uncontrolled vibration extend far beyond simple discomfort or noise. Unchecked machine vibration can accelerate rates of wear, reduce bearing life, damage equipment, create noise, cause safety problems, lead to degradation in plant working conditions, cause machinery to consume excessive power, damage product quality, and in the worst cases, damage equipment so severely as to knock it out of service and halt plant production.

Selon une étude du département américain de l'énergie, les temps d'arrêt imprévus peuvent coûter jusqu'à 50 milliards de dollars par année aux industries. Ce chiffre épouvantable souligne l'importance cruciale de mettre en oeuvre des programmes efficaces de surveillance et d'atténuation des vibrations.

Comprendre les sources de vibrations dans les machines

L'identification des causes profondes des vibrations est la première étape vers une atténuation efficace. Comprendre les causes profondes des vibrations est la première étape vers une gestion efficace. Les vibrations dans les machines proviennent de sources multiples, et souvent plusieurs facteurs contribuent simultanément à créer des modèles de vibrations complexes.

Immunité : le plus commun des cultivateurs

Un « point lourd » dans un composant rotatif causera des vibrations lorsque le poids déséquilibré tourne autour de l'axe de la machine, créant une force centrifuge. Ce phénomène représente l'une des sources de vibrations de la machine les plus fréquemment rencontrées dans toutes les industries.

L'équilibre peut être causé par des défauts de fabrication (erreurs d'usinage, défauts de coulée) ou des problèmes d'entretien (lames de ventilateur déformées ou sales, poids manquants de balance), et à mesure que la vitesse de la machine augmente, les effets du déséquilibre deviennent plus importants.

La gravité des vibrations liées au déséquilibre augmente de façon exponentielle avec la vitesse de rotation, ce qui en fait une problématique particulière dans les machines à grande vitesse. Une charge inégale, souvent appelée déséquilibre, survient lorsque la répartition de la masse autour du centre de rotation est inégale.Ce déséquilibre entraîne des vibrations importantes, ce qui en fait l'une des causes les plus courantes de vibrations excessives dans les machines à rotation et peut entraîner une augmentation du stress mécanique, des pertes d'énergie et des niveaux plus élevés de bruit et de chaleur, qui tous dégradent les performances de la machine au fil du temps.

Questions relatives au désalignement

La vibration peut se produire lorsque les arbres de la machine sont hors de ligne. Le désalignement se produit sous deux formes primaires, chacune produisant des caractéristiques de vibration distinctes qui aident dans le diagnostic.

Un désalignement angulaire se produit lorsque les axes d'un moteur et d'une pompe, par exemple, ne sont pas parallèles, alors que lorsque les axes sont parallèles mais pas exactement alignés, l'état est connu comme un désalignement parallèle. Un désalignement parallèle signifie que les axes centraux de l'arbre sont parallèles mais ne sont pas en ligne – cela peut être à la fois horizontal et vertical et est également connu comme un désalignement offset – alors que le désalignement angulaire signifie que les arbres se rencontrent en un point, mais ne sont pas parallèles.

Le mauvais alignement peut être causé pendant l'assemblage ou se développer au fil du temps, en raison de la dilatation thermique, du déplacement des composants ou du réassemblage inadéquat après l'entretien. La vibration résultante peut être radiale ou axiale (en ligne avec l'axe de la machine) ou les deux.

Port et détérioration des composants

Comme des éléments tels que des roulements à billes ou à rouleaux, des courroies d'entraînement ou des engrenages deviennent portés, ils peuvent provoquer des vibrations, par exemple lorsqu'une course à rouleaux devient piquée, les rouleaux de roulement causent des vibrations chaque fois qu'ils traversent la zone endommagée.

L'usure mécanique, en particulier dans les éléments comme les roulements, les engrenages et les rotors, est une source majeure de vibrations – la dégradation causée par les rotations à grande vitesse, les charges lourdes et les conditions difficiles augmente les vibrations, entraînant souvent un désalignement ou un déséquilibre – en détectant l'usure tôt par l'analyse des vibrations, les ingénieurs peuvent prévenir la dégradation des performances et les pannes coûteuses, assurant la longévité des composants des machines.

Différents types d'usure produisent des signatures de vibrations caractéristiques. Les défauts de roulement génèrent des impacts à haute fréquence, les dommages de dents de vitesse créent des impulsions périodiques aux fréquences de mailles, et la détérioration de la ceinture produit des modèles de vibrations irrégulières.

Déplacement mécanique

Les vibrations qui pourraient autrement passer inaperçues peuvent devenir évidentes et destructrices si le composant qui vibre a des roulements lâches ou est solidement attaché à ses supports — une telle souplesse pourrait être causée ou non par la vibration sous-jacente — quelle que soit sa cause, la souplesse peut permettre à toute vibration présente de causer des dommages, comme une usure, une usure et une fatigue supplémentaires dans les supports d'équipement et d'autres composants.

Les roulements, boulons et corrosions peuvent causer des vibrations excessives à la machine, et en raison des forces mécaniques de la machine, les pièces lâches peuvent causer rapidement des dommages. La lâcheté mécanique agit souvent comme amplificateur pour d'autres sources de vibrations, transformant les vibrations mineures en problèmes graves.

Phénomènes de résonance

Un système vibre à une fréquence naturelle lorsqu'il subit des vibrations naturelles, également appelées résonance – si la fréquence de fonctionnement et la fréquence naturelle de la machine sont les mêmes, ce type de vibration peut être problématique car il peut causer des vibrations excessives. La résonance se produit lorsque les fréquences de forçage externe coïncident avec la fréquence naturelle d'un composant, ce qui entraîne une amplification spectaculaire des vibrations.

La résonance se produit lorsque la fréquence naturelle d'un composant correspond à des forces externes, amplifie les vibrations. La résonance se produit lorsque la fréquence naturelle d'un composant rotatif correspond à la fréquence d'excitation, ce qui peut entraîner des vibrations amplifiées – pour atténuer la résonance, les ingénieurs peuvent modifier la conception, ajouter des amortisseurs ou des isoleurs, ou changer la vitesse opérationnelle.

Les conditions de résonance peuvent transformer des niveaux de vibration autrement gérables en forces destructrices capables de provoquer une défaillance structurale rapide. L'identification des fréquences naturelles pendant la phase de conception et la garantie d'une séparation adéquate des fréquences de fonctionnement représentent un principe fondamental de la conception de machines résistantes aux vibrations.

Forces externes et facteurs environnementaux

La vibration forcée se produit lorsqu'un système vibre à cause d'une force externe – des exemples sont les vibrations qu'un moteur ou une pompe en marche provoque – ces forces externes ou les excitations de mouvement imposées peuvent prendre la forme d'excitations de mouvement harmoniques, périodiques, non périodiques ou aléatoires et peuvent fournir de l'énergie pour la vibration.

Les mesures de vibration peuvent être influencées par des éléments externes tels que l'humidité, les changements de température ou les machines adjacentes, ce qui peut causer des problèmes d'analyse et d'interprétation.

Techniques d'analyse globale des vibrations

L'analyse des vibrations pour la surveillance et le diagnostic de la machine comprend généralement trois étapes principales, à savoir l'acquisition de données, le traitement des signaux et la reconnaissance des défauts.

Analyse temporelle et domaine

L'analyse temporelle évalue les signaux de vibration bruts provenant des formes d'onde, et les points clés de données comme l'amplitude de crête et le RMS sont extraits. Cette approche fondamentale examine les signaux de vibration tels qu'ils varient au fil du temps, fournissant une vue directe des caractéristiques de vibration.

Les courbes de profils de vibrations du domaine temporel ou du domaine de fréquence sont basées sur des paramètres mesurables et il est important de comprendre les définitions et les applications de ces paramètres pour analyser correctement les profils de vibrations.Il existe des éléments communs dans les courbes d'amplitude de vibrations qui peuvent être utilisés pour décrire une fonction — ils sont de pointe à pointe, de zéro à pointe et de racine à moyenne à carré — la valeur de pointe à pointe est l'amplitude totale des vibrations générées par une machine ou un groupe de composants.

L'analyse du domaine temporel excelle dans l'identification des événements transitoires, des impacts et des modèles de modulation qui pourraient être obscurcis dans les représentations du domaine de la fréquence.

Analyse de fréquence-domaine utilisant FFT

Fast Fourier Transform (FFT) convertit les signaux temporels en domaine de fréquence, et c'est l'outil principal pour l'identification des défauts. L'analyse de fréquence représente la pierre angulaire du diagnostic des vibrations modernes, transformant les signaux temporels complexes en spectres de fréquence facilement interprétables.

Différentes failles mécaniques produisent des vibrations à des fréquences caractéristiques – l'amplitude indique l'ampleur des vibrations et de la gravité, la fréquence indique le taux de vibration et le type de faille, et la phase indique la relation de timing entre les vibrations à différents points. Cette relation entre les types de failles et les fréquences spécifiques permet aux analystes de repérer les problèmes avec une précision remarquable.

Le spectre de fréquences révèle les composants de fréquence individuels présents dans un signal de vibration, permettant l'identification des fréquences fondamentales, des harmoniques et des bandes latérales associées à des défauts mécaniques spécifiques. L'équilibre est l'un des défauts les plus courants dans les machines tournantes et montre généralement des vibrations radiales élevées.

Analyse modale pour la dynamique structurelle

L'analyse de la vibration est une méthode avancée qui identifie les fréquences naturelles, les formes de mode et les caractéristiques d'amortissement d'une machine, aidant à comprendre le comportement dynamique de la machine et les problèmes structuraux ou de résonance potentiels.

L'analyse modale permet d'étudier les propriétés dynamiques des structures sous excitation par vibration, cette technique utilise FFT pour effectuer une fonction de transfert qui montre une ou plusieurs résonances, au moyen desquelles il est possible d'estimer la masse caractéristique, l'amortissement, la rigidité et d'autres propriétés de la pièce testée.

L'analyse modale est une technique plus avancée qui se concentre sur l'identification des fréquences naturelles, des formes de mode et des caractéristiques d'amortissement d'une machine. L'étude de ces propriétés aide les analystes à évaluer le comportement dynamique d'une machine et à identifier les problèmes structuraux potentiels et/ou les conditions de résonance.

Analyse de l'enveloppe et diagnostics de roulement

L'analyse de l'enveloppe est particulièrement utile pour la détection des défauts de roulement, car elle démodule les signaux à haute fréquence pour révéler les modèles de modulation à basse fréquence.Cette technique spécialisée excelle dans la détection des défauts de roulement précoces qui pourraient ne pas être apparents dans les spectres de vibration standard.

L'analyse de l'enveloppe, aussi appelée démodulation, sert principalement à détecter les défauts de roulement au début du cycle, ce qui implique l'extraction des signaux d'impact à haute fréquence générés par les roulements endommagés du signal de vibration global, permettant ainsi aux techniciens d'identifier la présence et la gravité des défauts de roulement.

Démodulation enveloppante / détection haute fréquence est une technique spécialisée de traitement des signaux utilisée pour la détection très précoce des défauts de roulement et de transmission des éléments de roulement — ces défauts commencent par des fissures microscopiques qui génèrent des "ringing" ou des impacts à basse énergie et haute fréquence — enveloppant les filtres du bruit de la machine à basse fréquence et se concentrant sur ces signaux d'impact témoins bien avant qu'ils ne apparaissent dans un spectre de vibrations standard.

Analyse de phase pour le diagnostic précis

L'analyse de phase consiste à utiliser deux capteurs pour comparer la vibration à deux points différents sur une machine – en mesurant l'angle de phase (comment une partie se déplace par rapport à une autre), un analyste peut définitivement distinguer le déséquilibre et le désalignement et effectuer un équilibre de précision sur le terrain.

Les relations de phase fournissent des informations critiques que les données d'amplitude et de fréquence ne peuvent révéler à elles seules. Le moment relatif des vibrations à différents points de mesure permet aux analystes de déterminer la direction du déséquilibre, de déceler les types de désalignement et de vérifier l'efficacité des mesures correctives.

Techniques avancées de traitement des signaux

Différentes techniques de traitement (transformation discrète de Fourier, transformation autorégressive de fenêtre mobile, transformation harmonique de vaguelet, Wigner Ville et Wigner-Ville) ont été appliquées à de réelles données expérimentales de vibration pour déterminer des méthodes qui peuvent réduire les bruits tout en conservant des informations utiles pour l'analyse.

L'analyse des vibrations modernes intègre de plus en plus des méthodes informatiques avancées.Les exigences croissantes en matière de fiabilité des équipements et structures industriels modernes exigent des techniques avancées de conception, de surveillance et d'analyse.Les techniques d'apprentissage automatique comprennent les réseaux neuronaux convolutionnels (RNC), les réseaux neuronaux récurrents (RNN), la mémoire à court terme longue (LSTM), les autoencodeurs, les machines vectorielles de soutien (VMS), les arbres de décision (DT), la recherche voisine la plus proche (SN), le regroupement des moyennes K et les forêts aléatoires.

Ces approches d'intelligence artificielle et d'apprentissage automatique permettent la détection automatisée des défauts, la reconnaissance des modèles dans les grands ensembles de données et l'analyse prédictive qui prévoit la durée de vie utile restante.

Pratiques exemplaires en matière d'acquisition et de mesure des données

L'analyse des vibrations dépend fondamentalement de la collecte de données de haute qualité. L'analyse des vibrations réussie dépend de la collecte de données appropriée. La précision et la fiabilité des conclusions diagnostiques reflètent directement la qualité du processus de mesure.

Établissement de points de mesure

En général, mesurez dans trois directions : horizontale, verticale et axiale aux emplacements des paliers. La sélection cohérente des points de mesure assure la comparabilité des données au fil du temps et permet une analyse des tendances qui révèle une détérioration progressive.

Établir des points de mesure uniformes sur chaque machine. Les emplacements de mesure devraient être choisis en fonction de la proximité des composants critiques, de l'accessibilité à la surveillance de routine et des caractéristiques structurales qui assurent une bonne transmission des vibrations.

Sélection et placement des capteurs

Différents outils comme les accéléromètres, les capteurs de vitesse et les capteurs de déplacement sont utilisés pour mesurer les vibrations. Chaque type de capteur offre des avantages distincts pour des applications spécifiques et des gammes de fréquences.

Il est essentiel de bien configurer les capteurs sur la machine, car des données non fiables peuvent être générées par un positionnement inapproprié ou un mauvais fonctionnement du capteur. Le montage approprié du capteur assure une transmission précise des vibrations de la machine au capteur. Le montage magnétique permet une surveillance de routine, tandis que le montage à goujons offre une réponse haute fréquence supérieure pour un diagnostic détaillé.

Les mesures radiales détectent le déséquilibre et le désalignement le plus efficacement, tandis que les mesures axiales révèlent des problèmes de roulement de poussée et certains types de désalignement. Les mesures à trois axes fournissent une caractérisation complète des vibrations, mais nécessitent plus de temps et d'équipement.

Paramètres et paramètres de mesure

Plage de fréquences : Généralement de 10 Hz à 10 kHz pour la plupart des machines · Lignes de résolution : 1600 ou 3200 lignes pour une résolution de fréquence adéquate · Moyenne : Utilisez une moyenne appropriée pour réduire le bruit.

La gamme de fréquences doit englober tous les composants de vibration importants, des résonances structurales basse fréquence aux signaux de défaut de roulement haute fréquence. La résolution détermine la capacité de distinguer les composants de fréquence étroitement espacés, tout en réduisant la moyenne du bruit aléatoire et en améliorant la répétabilité de mesure.

Considérations environnementales

Les mesures de vibration peuvent être affectées par des éléments externes tels que l'humidité, les changements de température ou les machines adjacentes, ce qui peut causer des problèmes d'analyse et d'interprétation.La maintenance préventive réduit les interférences environnementales en combinant les données des capteurs avec des données en contexte, puis en appliquant des algorithmes pour filtrer les facteurs extérieurs et identifier des modèles de vibration précis pour une analyse précise.

Les effets de température sur le fonctionnement des machines, les variations de processus, les variations de charge et les vibrations ambiantes de l'équipement voisin influent toutes sur les mesures. La documentation des conditions de fonctionnement pendant la collecte des données permet aux analystes de distinguer les véritables changements mécaniques des effets environnementaux.

Stratégies d'atténuation des vibrations dans la conception de machines

Pour réduire ou éliminer ces vibrations, il est essentiel de faciliter le fonctionnement et la longévité de l'équipement. Des stratégies d'atténuation peuvent être mises en oeuvre lors de la conception initiale, par des modifications opérationnelles ou par des améliorations à l'équipement existant.

Équilibre de précision des composants rotatifs

L'équilibre se produit lorsque la répartition en masse d'un composant rotatif est inégale et peut entraîner des vibrations excessives – pour réduire les vibrations liées au déséquilibre, le composant rotatif doit être équilibré en ajoutant ou en éliminant le poids stratégiquement. L'équilibre représente la méthode la plus fondamentale et la plus efficace pour réduire les vibrations dans les machines rotatives.

L'équilibrage dynamique corrige le déséquilibre statique (où le centre de la masse est compensé par l'axe de rotation) et le déséquilibre de couple (où l'axe d'inertie principal est incliné par rapport à l'axe de rotation). Les équipements et techniques modernes d'équilibrage permettent l'équilibrage de terrain sans démontage de la machine, minimisant ainsi les temps d'arrêt et les coûts.

L'équilibre des qualités spécifié dans les normes ISO fournit des indications sur les niveaux de déséquilibre résiduel acceptables pour différents types de machines et les vitesses de fonctionnement.

Procédures d'alignement de précision

Le désalignement se produit lorsque les axes de rotation des différents composants ne sont pas correctement alignés et peuvent provoquer des vibrations au fur et à mesure que l'équipement fonctionne.Pour remédier au désalignement, il est essentiel d'aligner correctement les arbres en utilisant des techniques d'alignement de précision.

Les systèmes d'alignement laser ont révolutionné les procédures d'alignement des arbres, ce qui permet un alignement de précision qui dépasse de loin les méthodes traditionnelles. Ces systèmes mesurent la position des arbres dans plusieurs plans et fournissent une rétroaction en temps réel pendant le réglage, assurant un alignement parallèle et angulaire dans des tolérances serrées.

Les procédures d'alignement à chaud tiennent compte d'une expansion thermique prévisible, assurant un alignement approprié à la température de fonctionnement même lorsque l'alignement à froid apparaît compensé.

Isolation et assèchement des vibrations

La plupart des produits d'isolation par vibration reposent généralement sur des conceptions mécaniques pour atteindre leurs caractéristiques d'isolation.Une fonction de ressort assure le soutien de l'équipement monté, tout en le découplant de la source de vibration.

Les isolants peuvent être fabriqués à partir de divers matériaux : les isolants à câbles et à ressorts peuvent être fabriqués en acier au carbone, en acier inoxydable ou en aluminium.Les isolants élastomères ont généralement des composants métalliques qui fonctionnent comme supports de montage, séparés par un matériau élastomère qui fournit la rigidité et l'amortissement souhaités.Les composés élastomères communs comprennent le caoutchouc naturel, le néoprène et le silicone; cependant, une vaste gamme de composés et de mélanges composés peuvent être utilisés pour obtenir différentes caractéristiques spécifiques à l'application.

La sélection adéquate des isolats nécessite la prise en compte de la capacité de charge statique, de la fréquence naturelle, des caractéristiques d'amortissement et des facteurs environnementaux, y compris la température, l'exposition chimique et l'altération. La fréquence naturelle des isolats doit être significativement inférieure à la fréquence de forçage la plus basse pour obtenir un isolement efficace.

L'élastomère et d'autres tampons synthétiques et en caoutchouc peuvent également humidifier les vibrations et isoler les charges de choc – ils sont disponibles sous plusieurs formes, notamment dans les tubes, les douilles, les blocs, les tampons et les rondelles – ces composants sont couramment utilisés dans les applications lourdes pour créer des plaques de rembourrage ou des fondations solides dans les machines lourdes comme les grues, les presses, et aussi pour réduire les vibrations dans les équipements de laboratoire et d'essai, l'aérospatiale, ainsi que pour les pipelines et les ponts.

Modifications structurelles pour une rigidité accrue

L'installation de supports et d'amortisseurs pour absorber et réduire la transmission des vibrations, et l'utilisation d'un joint époxy pour l'installation ou la réhabilitation de fondations d'équipement améliore l'intégrité structurelle et la rigidité – le joint époxy assure une excellente liaison entre la machine et sa fondation, le remplissage des vides et l'élimination des micromouvements pouvant conduire à des vibrations – ce qui se traduit par une base plus stable, réduisant efficacement les niveaux de vibrations et prolongeant la durée de vie de l'équipement.

La rigidité structurale joue un rôle crucial dans la réponse aux vibrations. L'augmentation de la rigidité augmente les fréquences naturelles, les éloigne potentiellement des fréquences de fonctionnement et réduit le risque de résonance.

Les fondations inadéquates ou faibles peuvent entraîner la transmission des vibrations de l'équipement à la structure environnante, ce qui permet d'assurer une conception et une rigidité adéquates des fondations, ainsi que des mesures d'isolement des vibrations, qui peuvent contribuer à atténuer ces vibrations.

Optimisation de la conception pour éviter la résonance

Lorsque l'amortissement est faible, les fréquences de vibration de résonance sont approximativement égales à celles de vibration libre, et il peut être utile de déterminer ces fréquences pour estimer la durée de vie prévue d'une conception. L'identification des fréquences naturelles pendant la phase de conception permet aux ingénieurs d'assurer une séparation adéquate des fréquences de fonctionnement.

La méthode des modes normaux convient aux systèmes de liberté de grande taille, complexes et multidegrés (>100 DOF) qui sont généralement analysés à l'aide des techniques FEA – cette approche introduit une transformation des approximations des coordonnées pour découpler les équations différentielles du mouvement et faciliter la résolution du problème.

Les modifications de conception apportées aux fréquences naturelles de déplacement comprennent le changement de la distribution de masse, la modification de la rigidité par la géométrie ou la sélection des matériaux, et l'ajout d'un amortissement. L'objectif est de s'assurer que les fréquences naturelles sortent de la gamme des fréquences de fonctionnement et de leurs harmoniques, avec des marges de séparation adéquates pour tenir compte des variations de fabrication et des incertitudes opérationnelles.

Sélection et maintenance des composantes

Les éléments mobiles ou usés, tels que les boulons, les fixations, les roulements ou les couplages, peuvent générer des vibrations. Les roulements défectueux ou usés peuvent causer des vibrations dans l'équipement rotatif – lubrification et entretien réguliers des roulements, ainsi que le remplacement rapide des roulements défectueux, sont essentiels pour minimiser les vibrations.

La sélection adéquate des composants considère la résistance aux vibrations comme un critère de conception. Des roulements de haute qualité avec des tolérances serrées, des accouplements usagés avec précision et des fixations correctement spécifiées contribuent tous à réduire les vibrations.

Les raccords flexibles permettent un mauvais alignement mineur tout en amortissant les vibrations torsions, tandis que les raccords rigides assurent un positionnement précis mais transmettent toutes les vibrations et nécessitent un alignement parfait. Le type d'attelage doit correspondre aux exigences d'application et aux conditions de fonctionnement attendues.

Mise en oeuvre de programmes efficaces de surveillance des vibrations

L'analyse des vibrations (AV) est la technique la plus couramment utilisée pour la maintenance prédictive, permettant de diagnostiquer les défauts, en particulier ceux qui en sont à leurs débuts – l'utilisation de l'AV est importante pour les coûts de maintenance et les économies de temps d'arrêt, la prise de décisions concernant la réparation et le remplacement total.

Approches de surveillance par parcours

Un technicien suit une route prédéfinie, en fixant un capteur (souvent avec un aimant puissant) à des points spécifiques de chaque machine pour recueillir un « instantané » de ses vibrations. La surveillance par route permet une couverture économique des grandes populations d'équipement, permettant une évaluation régulière de l'état de la machine.

La conception efficace de l'itinéraire tient compte de la criticité de l'équipement, des conséquences de la défaillance et de la fiabilité historique. L'équipement essentiel mérite une surveillance plus fréquente, tandis que les machines moins critiques peuvent être surveillées trimestriellement ou semestriellement.

Systèmes de surveillance continue en ligne

Pour les machines critiques où une défaillance inattendue aurait de graves conséquences, les systèmes de surveillance continue fournissent une évaluation en temps réel et une notification d'alarme immédiate.

Les systèmes en ligne excellent dans la surveillance des équipements dans des endroits dangereux ou inaccessibles, les machines fonctionnant à des vitesses ou des charges variables, et les actifs critiques où les coûts d'arrêt justifient l'investissement dans l'instrumentation permanente.

Établissement des niveaux de référence et d'alarme

La gravité des vibrations est généralement évaluée au moyen de normes. Les mesures de base établissent les caractéristiques de vibration normales pour chaque machine dans des conditions de fonctionnement typiques.

Les niveaux d'alarme définissent les seuils de vibrations qui déclenchent des actions de maintenance.Les systèmes d'alarme à plusieurs niveaux comprennent généralement des niveaux d'alerte qui accélèrent la surveillance, des niveaux d'alarme qui prévoient l'entretien et des niveaux de déplacement qui nécessitent un arrêt immédiat.

Analyses tendancielles et prédictives

La tendance à la vibration révèle des changements progressifs dans l'état de la machine qui permettent de prévoir l'entretien. L'établissement des paramètres de vibration au fil du temps montre si les conditions sont stables, s'améliorent ou se détériorent.

Les données existantes des ensembles de données ainsi que les simulations permettent d'effectuer une analyse prédictive, permettant aux experts de prédire les défaillances probables ou la dégradation des performances des machines. L'analyse avancée, y compris les algorithmes d'apprentissage automatique, permet d'identifier des modèles subtils de données de vibration qui précèdent les défaillances, permettant une intervention encore plus précoce et des prédictions de durée de vie utile plus précises.

Applications industrielles de l'analyse des vibrations

La méthode a été appliquée dans de nombreux secteurs et s'est avérée efficace, elle s'applique aux équipements rotatifs, non rotatifs, aux procédés continus ou même à la structure de construction.

Industries manufacturières et de transformation

Les usines de fabrication utilisent l'analyse des vibrations pour surveiller l'état des moteurs (y compris les moteurs électriques), des boîtes de vitesses, des convoyeurs et des machines-outils.Les données de vibrations peuvent être utilisées pour optimiser les processus de production, réduire le risque de défaillance de l'équipement et améliorer l'efficacité globale de l'installation.

Sur les lignes de processus continus comme les machines à papier, les lignes de finition de l'acier ou les laminoirs, l'analyse des vibrations peut empêcher l'oscillation anormale des composants qui entraînent une perte de qualité du produit.

Production d'énergie

Les installations de production d'électricité dépendent fortement de la surveillance des vibrations pour les turbines, les générateurs, les pompes et les équipements auxiliaires. Les vitesses de rotation élevées, les grandes puissances et la nature critique des équipements de production d'électricité rendent l'analyse des vibrations essentielle pour un fonctionnement fiable.

Dans le secteur de l'énergie éolienne, l'analyse des vibrations aide les exploitants de turbines à surveiller la santé des turbines afin de déceler les déséquilibres des pales, les défaillances des boîtes de vitesses et/ou les problèmes de roulement.

Industries de l'automobile et de l'aérospatiale

Dans l'industrie automobile, l'analyse des vibrations joue un rôle important dans la conception, le développement et l'essai des composants.L'analyse des caractéristiques des vibrations des moteurs, des transmissions et des systèmes de suspension peut aider les ingénieurs à optimiser leurs conceptions pour améliorer les performances et la fiabilité réelles et pour augmenter le confort des passagers.

Dans l'industrie aérospatiale, l'analyse des vibrations permet aux ingénieurs d'identifier et de traiter des problèmes tels que les vibrations excessives, la résonance ou la fatigue du matériau pour améliorer la fiabilité et la longévité des systèmes d'aéronefs.Des adaptations des techniques d'analyse des vibrations ont été utilisées pour divers instruments spécialisés, en particulier les analyseurs de moteurs d'aéronefs portables et continus.

L'industrie aérospatiale exige les plus hauts niveaux de fiabilité et de sécurité, faisant de l'analyse des vibrations un élément essentiel de la validation de conception et de la surveillance opérationnelle. La surveillance des vibrations du moteur permet d'évaluer en temps réel la santé du moteur, permettant de détecter rapidement les dommages causés par les pales, l'usure des roulements et d'autres défauts critiques.

Industrie pétrolière et gazière

Le but est de donner un aperçu de la façon dont l'analyse des vibrations est utilisée dans de nombreuses industries, y compris le pétrole, pour montrer son potentiel dans l'industrie pétrolière.

Le système ESP est situé dans un trou inférieur, ce qui le rend vulnérable aux défauts et aux défauts qui pourraient être difficiles à détecter par des méthodes conventionnelles – ces défauts et défauts pourraient entraîner une réduction des performances de la pompe ou même une défaillance complète qui nécessite un remplacement – il est donc important de surveiller et d'analyser les vibrations des composants du système ESP, en particulier la pompe et le moteur.

Sujets avancés dans l'analyse des vibrations

À mesure que la technologie progresse et que les capacités de calcul s'étendent, l'analyse des vibrations continue d'évoluer avec des techniques et des applications de plus en plus sophistiquées.

Analyse aléatoire des vibrations

La charge dynamique est soit harmonique, soit aléatoire, la vibration harmonique soumet la structure à la charge d'entrée, gs, à des fréquences sinusoïdales spécifiques; par exemple, l'excitation de base de 2 gs à 115 Hz—vibration aléatoire, par contre, excite toutes les fréquences résonantes simultanément sur une plage de bande passante, disons 5 à 2 000 Hz—les niveaux d'excitation d'entrée sont généralement définis en termes de courbes de densité de puissance-spectrale (PSD) sur une plage de fréquences.

L'approche d'équation de Mile fait intervenir des modèles FEA de grands systèmes complexes qui contiennent un nombre excessif de DF — l'approche est basée sur des analyses statistiques des spectres d'accélération induits avec une distribution à trois sigma — le logiciel calcule une charge équivalente g en utilisant les critères PSD à la fréquence de résonance dans chaque direction orthogonale d'intérêt — cette charge équivalente g est parfois appelée facteur de charge de vibration aléatoire (RVLF).

L'analyse aléatoire des vibrations porte sur des situations où les forces d'excitation ne sont pas déterministes, comme la rugosité de la route, la charge acoustique ou le flux turbulent. Les méthodes statistiques caractérisent l'environnement de vibration et prédisent les réponses structurelles, permettant la validation de la conception pour les équipements soumis à l'excitation aléatoire.

Analyse de la forme de la déflection opérationnelle

L'analyse de la forme de la déviation opérationnelle (ODS) permet de visualiser comment les structures se déforment pendant le fonctionnement, fournissant une compréhension intuitive du comportement de vibration. En mesurant simultanément les vibrations à plusieurs points et en animant les résultats, ODS révèle les formes de mode, identifie les zones de mouvement excessif et aide à diagnostiquer les problèmes de vibration complexes.

L'analyse de la SAO s'avère particulièrement utile pour résoudre les problèmes de vibration structurelle lorsque les voies de source et de transmission sont floues. La visualisation animée aide les ingénieurs à identifier les zones structurales faibles, à vérifier l'efficacité des modifications et à communiquer les résultats aux non-spécialistes.

Suivi de commande pour les machines à vitesse variable

L'analyse traditionnelle de la fréquence suppose des vitesses de fonctionnement constantes, mais de nombreuses machines fonctionnent à des vitesses variables.Les techniques de suivi des commandes synchronisent les mesures de vibration avec la rotation de l'arbre, permettant l'analyse des composants de vibration qui sont liés à la vitesse de l'arbre (commandes) plutôt qu'à des fréquences fixes.

Le suivi des commandes s'avère essentiel pour analyser les machines à mouvement alternatif, les entraînements à vitesse variable et les équipements pendant les transitoires de démarrage ou d'arrêt. En suivant les commandes de vibrations par des changements de vitesse, les analystes peuvent distinguer les phénomènes dépendants de la vitesse (comme le déséquilibre) et les problèmes indépendants de la vitesse (comme les résonances).

Analyse des vibrations Torsionnelles

Alors que la plupart des analyses de vibrations se concentrent sur les vibrations latérales, les vibrations torsionnelles (oscillations de torsion autour de l'axe de l'arbre) peuvent causer de graves problèmes dans les machines tournantes.

La mesure des vibrations torsionnelles nécessite des instruments spécialisés, y compris des encodeurs d'arbre, des jauges de contrainte ou des vibromètres de torsion laser. Les techniques d'analyse identifient les fréquences naturelles torsionnelles, évaluent les sources d'excitation et évaluent l'amortissement.

Défis et limites de l'analyse des vibrations

Malgré sa puissance et sa polyvalence, l'analyse des vibrations fait face à certains défis et limitations que les praticiens doivent comprendre et aborder.

Complexité de l'interprétation

À ce jour, il existe de nombreuses techniques et instruments utilisés dans chacune des étapes susmentionnées, et choisir les bons pourrait être très difficile, car chaque méthode et chaque instrument ont ses caractéristiques, ses avantages et ses inconvénients.

Les analystes expérimentés développent des compétences de reconnaissance de patrons à travers des années de pratique, mais même les experts rencontrent des situations ambiguës nécessitant une enquête supplémentaire. Combiner l'analyse des vibrations avec d'autres techniques de diagnostic, y compris l'analyse de l'huile, la thermographie et l'analyse du courant moteur, fournit souvent des conclusions diagnostiques plus claires.

Limites de détection et de mesure

Les limites de l'analyse des vibrations sont la contamination sonore et la position de montage correcte des capteurs de vibrations. La qualité de montage des capteurs affecte directement la précision de mesure, en particulier aux hautes fréquences où de petits défauts de montage causent des erreurs importantes.

Les accéléromètres offrent une excellente réponse à haute fréquence, mais peuvent avoir une capacité limitée de basse fréquence. Les capteurs de vitesse offrent de bonnes performances à moyenne fréquence, mais ils sont plus importants. Les capteurs de déplacement excellents à basse fréquence, mais ont une réponse à haute fréquence limitée.

Coûts et ressources nécessaires

La mise en oeuvre de programmes complets de surveillance des vibrations exige des investissements importants dans l'équipement, la formation et le personnel. Les analyseurs portatifs, les systèmes de surveillance permanents et les logiciels d'analyse représentent des coûts en capital considérables.

Les organisations doivent équilibrer les coûts de la surveillance des vibrations par rapport aux avantages de la réduction des temps d'arrêt, de la durée de vie prolongée de l'équipement et de l'amélioration de la fiabilité.

Gestion et intégration des données

Une plateforme moderne devrait faire plus que simplement afficher ces données – elle doit les connecter à votre flux de travail de maintenance – la capacité d'intégrer à un logiciel CMMS complet est primordiale. La gestion des volumes importants de données générées par les programmes de surveillance des vibrations présente des défis organisationnels.

Les systèmes de gestion des données efficaces organisent des mesures, suivent les tendances, produisent des rapports et s'intègrent aux systèmes informatisés de gestion de la maintenance (SMGC). Les plateformes basées sur le cloud fournissent de plus en plus de stockage centralisé des données, des analyses avancées et un accès mobile aux informations sur les vibrations.

Tendances futures de l'analyse des vibrations

L'analyse des vibrations continue d'évoluer avec l'évolution de la technologie, offrant de nouvelles capacités et applications qui améliorent la fiabilité de l'équipement et l'efficacité opérationnelle.

Intelligence artificielle et apprentissage automatique

Les principaux domaines de recherche comprennent des processus tels que la modélisation et la conception, la gestion de la santé, la surveillance de l'état, les essais non destructifs, la détection des dommages et le diagnostic.

Les réseaux d'apprentissage approfondi peuvent être formés à de grandes séries de données de mesures de vibrations pour reconnaître les profils de défaillance avec précision approchant ou dépassant les experts humains. Ces systèmes s'améliorent continuellement au fur et à mesure qu'ils traitent davantage de données, s'adaptant à des types d'équipement spécifiques et aux conditions d'exploitation.

Capteurs sans fil et compatibles avec l'IoT

Les capteurs à piles avec des capacités de récupération d'énergie peuvent fonctionner pendant des années sans maintenance, tout en transmettant des données aux systèmes de surveillance centralisés. Les plateformes Internet des objets (IoT) regroupent les données des capteurs distribués, ce qui permet une visibilité globale de l'équipement santé.

Les capacités de calcul de bord dans les capteurs modernes permettent le traitement local des signaux et l'intelligente inquiétude, réduisant les besoins de transmission des données tout en fournissant une réponse plus rapide aux problèmes de développement.

Intégration avec la technologie numérique Twin

La technologie numérique double crée des répliques virtuelles d'actifs physiques qui combinent les données de capteurs en temps réel avec des modèles basés sur la physique. Les mesures de vibration alimentent les jumeaux numériques, permettant une comparaison entre le comportement réel et prévu.

Les jumelles numériques permettent une analyse « what-if » des stratégies de maintenance, des changements de conditions d'exploitation et des modifications de conception sans risquer de matériel réel. Elles fournissent des plateformes pour former les opérateurs et le personnel de maintenance sur le comportement des équipements et les techniques de diagnostic.

Matériaux avancés et structures intelligentes

Les matériaux émergents, notamment les composites piézoélectriques, les alliages de forme et les fluides magnétorhéologiques, permettent de contrôler les vibrations en fonction des conditions changeantes.

Ces technologies permettent de contrôler les vibrations dans les applications où les méthodes passives se révèlent inadéquates, comme les structures légères, les conditions d'exploitation variables ou l'excitation à large bande.

Meilleures pratiques de gestion des vibrations

La gestion réussie des vibrations nécessite des approches systématiques qui intègrent la conception, l'exploitation et les activités d'entretien.

Considérations relatives à la phase de conception

Les données de vibration sont devenues un élément essentiel de la conception et de l'ingénierie de nouvelles machines et systèmes de traitement – les données dérivées de machines similaires ou existantes peuvent être extrapolées pour constituer la base d'une conception préliminaire – les essais de prototype de nouvelles machines et systèmes permettent de finaliser ces conceptions préliminaires.

L'analyse modale au cours de la conception identifie les problèmes potentiels de résonance, tandis que la simulation dynamique prédit les niveaux de vibration dans diverses conditions de fonctionnement. Les examens de conception devraient inclure des considérations de vibration aux côtés des analyses traditionnelles de structure, thermique et de performance.

Essais de mise en service et d'acceptation

L'analyse des vibrations est un moyen éprouvé de vérifier les paramètres de performance réels par rapport aux paramètres de conception des nouveaux équipements mécaniques, de procédé et de fabrication.Les tests de préacceptation effectués à l'usine et immédiatement après l'installation peuvent être utilisés pour s'assurer que les nouveaux équipements fonctionnent de façon optimale et que le coût du cycle de vie prévu est le plus élevé.

Les mesures de vibration de base lors de la mise en service établissent les conditions de référence pour les comparaisons futures. Les critères d'acceptation devraient spécifier les niveaux de vibration maximums autorisés pour diverses conditions de fonctionnement.

Formation et sensibilisation des opérateurs

Les opérateurs d'équipement représentent la première ligne de défense contre les problèmes de vibration. La formation des opérateurs à reconnaître les vibrations anormales, le bruit, ou les changements de performance permet de détecter rapidement les problèmes.

Créer une culture de soins d'équipement où les opérateurs prennent en charge l'état de la machine améliore la fiabilité globale. Des contrôles simples de l'opérateur, y compris l'écoute de bruits inhabituels, le sentiment de vibration excessive et les paramètres de surveillance des performances complètent les programmes officiels de surveillance des vibrations.

Amélioration continue et apprentissage

À mesure que votre programme arrive à maturité, envisagez de mettre en oeuvre des techniques avancées – l'analyse des vibrations est un outil puissant pour maintenir la fiabilité des machines, et le succès exige un équipement, une formation, des procédures et un engagement appropriés pour l'amélioration continue.

L'analyse des défaillances des problèmes liés aux vibrations révèle des modèles qui guident la sélection de l'équipement, les pratiques de maintenance et les procédures opérationnelles.

Conclusion

La vibration dans les machines est une préoccupation critique qui peut conduire à des défis opérationnels importants si elle n'est pas gérée correctement – en comprenant les causes et les effets, en utilisant des méthodes efficaces d'analyse des vibrations et en mettant en œuvre des solutions stratégiques, les industries peuvent améliorer la longévité des équipements, améliorer la sécurité et réaliser des économies substantielles.

L'analyse et l'atténuation des vibrations représentent des disciplines essentielles pour la conception et l'entretien modernes des machines. Les techniques et stratégies abordées dans cet article fournissent un cadre complet pour la gestion des vibrations tout au long du cycle de vie des équipements, de la conception initiale à la surveillance opérationnelle jusqu'aux décisions de fin de vie.

Cependant, les vibrations de la machine présentent un aspect positif : elles peuvent être mesurées et analysées correctement, elles peuvent être utilisées dans un programme d'entretien préventif comme indicateur de l'état de la machine et aider le professionnel de l'entretien de l'usine à prendre des mesures correctives avant les catastrophes.

À mesure que la technologie progresse, les outils d'analyse des vibrations deviennent plus puissants, plus accessibles et plus intégrés à des systèmes de gestion des actifs plus vastes. L'avenir promet des capacités encore plus grandes grâce à l'intelligence artificielle, à la détection sans fil et aux technologies numériques jumelées.

Pour les ingénieurs, les professionnels de la maintenance et les praticiens de la fiabilité, maîtriser les techniques d'analyse et d'atténuation des vibrations représente un investissement précieux qui rapporte des bénéfices tout au long de leur carrière. Le domaine offre des possibilités d'apprentissage continu, des défis intellectuels et la satisfaction de résoudre des problèmes complexes qui ont une incidence directe sur la fiabilité de l'équipement et le succès organisationnel.

Pour en savoir plus sur les technologies de maintenance prédictive, visitez le site Web de la centrale fiable .Pour en savoir plus sur les équipements et les solutions de surveillance des vibrations, explorez les ressources de Fluke Corporation. Pour les normes et les lignes directrices sur l'analyse des vibrations, consultez le Organisation internationale de normalisation (ISO)[.