Analyse et diagnostic des défauts (1) - Cours de Mécanique industrielle avec Maxicours

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Analyse et diagnostic des défauts (1)

1. Introduction

Le principal avantage de la mesure des vibrations sur les machines tournantes est, comme vous le savez maintenant, la possibilité de détecter les défauts avant que ne survienne une défaillance entraînant l'arrêt non planifié d'une machine.

Pour ce faire, vous connaissez les techniques de base que sont l'analyse de tendance, la comparaison aux valeurs limites des critères de sévérité et la comparaison de spectres de fréquences en pourcentage de bande constant (PBC) pour une détection précoce des défauts.

Quand un défaut est détecté, l'analyse des vibrations peut être utilisée pour diagnostiquer le problème. Vous allez maintenant poursuivre votre apprentissage en vous familiarisant avec quelques règles simples d'analyse applicables à la reconnaissance des défauts les plus couramment rencontrés dans les machines industrielles, c'est-à-dire ceux associés aux vibrations des arbres, des roulements et des engrenages.

Diagnostic des défauts :

La mesure des vibrations en bandes larges est de peu d'utilité, sauf pour les cas les plus simples, lorsque vous avez besoin d'identifier l'origine du défaut responsable de l'accroissement du niveau vibratoire enregistré sur une machine. Bien que la mesure du facteur de crête puisse isoler le défaut dû à un roulement à billes ou à rouleaux, c'est dans l'analyse du spectre de fréquences que vous trouverez habituellement la clé du diagnostic.

Une machine fonctionnant bien a un spectre de vibration (signature) stable. Lorsque sa condition change, le spectre change, signalant par le fait même les composantes fréquentielles caractérisant le ou les défauts coupables.

En effet, chaque composante du spectre de fréquences peut être reliée à une source de vibration spécifique dans la machine. Les sources de vibration les plus fréquemment identifiées sont les suivantes :

• déséquilibre des arbres et des rotors (balourd) ;
 mauvais alignement d'accouplement et de palier ;
 arbres faussés (fléchis) ;
 phénomène de résonance ;
 excentricité de poulie, de roue dentées, etc. ;
 jeux mécaniques ;
 défauts dans les roulements à billes et à rouleaux ;
 engrenages usés ou endommagés.

La figure ci-après vous montre le schéma d'un groupe moteur-ventilateur simple et du spectre de vibrations qui le caractérise. Les composantes prédominantes du spectre sont reliées par des lignes pointillées aux éléments tournants auxquels elles sont associées. Elles représentent ici :

 la fréquence de rotation du moteur (1) ;
 le désalignement des arbres à l'accouplement (2) ;
 la fréquence de passage des pales du ventilateur (3) ;
 la fréquence d'engrènement (4) ;
 la naissance d'un défaut dans un roulement (5 et 6).

Analyse en fréquence : outil de diagnostic :

2. Vibrations liées à la rotation des arbres

Plusieurs défauts sont susceptibles de causer une amplitude vibratoire élevée à la fréquence de rotation d'un moteur, d'une pompe, d'un ventilateur, d'une turbine à vapeur, etc.

Voici une situation particulière qui vous obligera à considérer d'autres caractéristiques que l'amplitude et la fréquence pour mener à bien le diagnostic :

  • d'un déséquilibre,
  • d'un mauvais alignement,
  • d'un arbre fléchi,
  • d'une résonance,
  • d'un jeu mécanique,
  • d'une excentricité de poulie.
a. Déséquilibre

Le déséquilibre (balourd) est la cause de vibration la plus commune et la plus fréquemment rencontrée. Il est le résultat d'une distribution inégale de la masse d'un rotor autour de son axe. En effet, en dépit du soin apporté à la construction des rotors, il est impossible de les équilibrer parfaitement.

Le balourd ou la "partie lourde" du rotor ne fait sentir son influence aux paliers qu'une fois par tour. C'est pourquoi le déséquilibre se caractérise par une vibration radiale importante, et même très souvent prédominante, à la fréquence de rotation.

La figure ci-après vous montre le spectre typique d'un rotor déséquilibré où l'amplitude de la composante radiale à la vitesse de rotation (1 ) domine comme il a été prévu. La présence d'un harmonique (2 ) indique une condition de déséquilibre sévère.

Une modification brusque de l'amplitude correspond à une modification du déséquilibre dont l'origine peut être une rupture ou la déformation d'une partie du rotor (pales de ventilateur par exemple). Si vous observez une modification plus lente de l'amplitude, il peut s'agir d'une usure ou d'un encrassement de la partie tournante (suie, dépôt, etc.).

MAIS ATTENTION ! Il existe d'autres défauts caractérisés par un spectre de fréquences similaire à celui de la figure suivante. Mais heureusement, les relations de phase varient selon le défaut. C'est pourquoi vous procéderez TOUJOURSà une analyse de phase avant de confirmer qu'il s'agit bel et bien d'une condition de déséquilibre.

Déséquilibre :

La composante radiale de la vibration dans la direction horizontale présentera toujours un déphasage approximatif de 90° avec celle mesurée dans la direction verticale (figure ci-dessous) sur le même palier.

De plus, la vibration radiale de chaque côté du rotor n'est pas nécessairement en phase ou hors-phase.

Identification d'un déséquilibre (phase) :

Les autres caractéristiques des vibrations causées par un déséquilibre sont :

• le rapport d'amplitudes des composantes radiales horizontale et verticale qui est semblable de chaque côté du rotor ;

 la vibration dans la direction axiale qui est faible (moins que 50 %) comparée avec la vibration mesurée dans la direction radiale ;

 la vibration des harmoniques qui représente habituellement moins que 50 % de la vibration à la vitesse de rotation ;

la vibration radiale de chaque côté de l'accouplement, qui est plutôt en phase.

b. Défaut d'alignement

Un autre défaut parmi les plus courants sur les arbres tournants provient d'un mauvais alignement. Un accouplement mal aligné produira une composante à la fréquence de rotation (1 ), et souvent à ses harmoniques peu élevés (2  et 3 ), à la fois suivant les directions radiales et axiales.

Toutefois, contrairement au déséquilibre, le rapport d'amplitudes des composantes radiales horizontale et verticale peut être très différent de chaque côté du rotor.

La figure suivante vous montre le spectre de vibrations typique associé à un désalignement parallèle où le 2e harmonique (2 ) est souvent la composante la plus élevée.

La vibration est surtout radiale avec un déphasage approximatif de 180° entre les points de mesure localisés de chaque côté de l'accouplement, représenté sur la figure par des flèches pointant dans des directions opposées ().

Désalignement parallèle :

La figure suivante vous montre le spectre associé à un désalignement angulaire où la composante la plus élevée varie selon le type d'accouplement (souvent 1 , mais aussi 2  ou 3 ). La vibration est prédominante dans la direction axiale avec aussi un déphasage de 180° entre le moteur et le rotor. Les flèches symbolisant les mesures de phase pointent dans des directions opposées ().

Désalignement angulaire :

c. Arbre flexible

Un arbre fléchi, comme celui qui vous est montré à la figure suivante, présente à plusieurs égards un spectre de vibrations tout à fait similaire à celui d'un défaut d'alignement, avec des composantes élevées aux harmoniques de la fréquence de rotation.

C'est encore une fois la mesure de phase qui vous permettra de distinguer entre un mauvais alignement et un arbre fléchi. En effet, un arbre fléchi produira une vibration axiale déphasée de 180° entre les paliers du rotor ().

Arbre fléchi :

d. Résonance de la structure ou du rotor

Chaque sous-ensemble de la machine (rotor, bâti, base, etc.) possède une fréquence de vibration naturelle (oscillation libre) qui est fonction de paramètres multiples tels que la rigidité, la masse, la forme géométrique, etc.

Il suffit qu'une force d'excitation périodique quelconque provenant d'un déséquilibre, d'un mauvais alignement ou de tout autre défaut possède une fréquence voisine de l'une des fréquences naturelles de la machine pour qu'une vibration apparaisse dans le spectre. Vous êtes alors en présence d'un phénomène de résonance.

Vous avez déjà appris que la résonance se caractérise par une amplitude vibratoire élevée pouvant contribuer à réduire sérieusement la durée de vie des paliers et des autres composants de la machine.Mais il y a plus.

La figure suivante vous montre un problème simple de résonance à la fréquence de rotation (1 ). L'angle de phase de la vibration varie de 180° lorsque la vitesse de rotation passe par la fréquence de résonance.

Variation de la phase à la résonance :

Vous diagnostiquerez la condition de résonance en procédant à une mesure comparative de la phase dans les directions radiales horizontale et verticale. Le déphasage sera nul ou de 180° selon la position du capteur.

De plus, la vibration causée par une résonance se caractérise aussi par une amplitude plus élevée dans une direction plutôt que dans une autre.

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