Analyseurs de vibrations - Cours de Mécanique industrielle avec Maxicours

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Analyseurs de vibrations

Le mesureur de vibrations est limité à l'affichage d'une valeur globale de la vibration mesurée sur de larges bandes de fréquences. Toutefois, les composantes de fréquences individuelles contenues dans une bande comportent une grande quantité d'informations. Pour les obtenir, vous devrez procéder à l'analyse du signal.

L'instrument de mesure dont vous aurez alors besoin s'appelle un analyseur de vibrations. Bien que plusieurs modèles différents existent, leurs applications, avec lesquelles vous allez maintenant vous familiariser, se ressemblent beaucoup. Vous apprendrez aussi le principe de fonctionnement des analyseurs de fréquences à large bande et à transformée rapide de Fourier (TRF).

1. Applications

Peut-être avez vous déjà vu comment plusieurs défauts sont susceptibles d'être détectés en ayant recours à une instrumentation de base et à des techniques de mesure simples. Toutefois, pour détecter les défauts à un stade précoce de leur développement, il faut surveiller le spectre de fréquences vibratoires de la machine.

Un analyseur de fréquences se charge de cette mesure, et grâce aux analyseurs actuels (figure suivante), l'analyse des vibrations est rapide, précise et à haute résolution.

Analyseur de vibrations :

a. Détection des défauts

Quand il est intégré à un programme de surveillance, l'analyseur de vibrations a pour fonction première de stocker les spectres de vibration enregistrés en différents points sur la machine. Il vous est alors possible de comparer chaque nouveau spectre à un "spectre de référence" enregistré au même point à un moment où la condition de la machine était considérée comme "bonne".

L'intervalle de temps entre les mesures, la localisation des points de mesure et les gammes de fréquences mesurées sont décidés en fonction du type de machine, des conditions d'utilisation et des modes vraisemblables de rupture. La comparaison des spectres fait ressortir tout accroissement d'amplitude des composantes fréquentielles qui, lorsqu'il est significatif, indique l'accroissement du défaut.

Pour la plupart des machines, l'expérience montre que dans une gamme de fréquences allant jusqu'à 1 000 Hz, un accroissement d'un facteur 2,5 (8 dB) doit être considéré comme suffisant pour justifier un examen. Un accroissement d'un facteur 10 (20 dB) annonce, quant à lui, la nécessité d'une réparation, s'il n'est pas déjà trop tard !

La figure suivante est très révélatrice à cet égard puisqu'elle vous montre la comparaison de spectres enregistrés juste avant le blocage d'un roulement et juste après son remplacement par un roulement neuf. Les écarts d'amplitude atteignent parfois plus de 20 dB aux basses fréquences avec un maximum supérieur à 25 dB à 50 Hz environ.

Défaut de roulement :

b. Diagnostic des défauts

Vous ferez appel aux fonctions de diagnostic de l'analyseur de vibrations pour déterminer avec précision, en mode haute résolution, par exemple, la fréquence où une augmentation de vibration a été détectée. Il s'agit là d'une information qui peut vous être utile pour localiser la source du problème et décider comment y remédier.

Les jeux dans les paliers lisses, les défauts de courroies et certaines vibrations induites électriquement peuvent être analysés efficacement au moyens de marqueurs d'harmonique. L'analyse d'enveloppe du signal est un outil précieux pour la détermination des défauts dans les roulements.

D'autres techniques comme la mesure de phase, la recherche de résonance et la moyenne temporelle font de l'analyseur de vibrations un outil très performant pour le diagnostic des défauts sur les machines industrielles.

c. Correction des défauts

L'analyseur quantifie les phénomènes, le technicien interprète les résultats. Lorsque le composant défectueux doit être remplacé, l'analyseur ne sert qu'à vérifier le bon fonctionnement de la machine après la réparation.

Toutefois, dans le cas d'un déséquilibre, source habituelle de vibrations dans les machines tournantes, l'analyseur intervient dans la procédure de réparation pour le calcul des masses de correction et de leur position de montage sur le rotor lors de son rééquilibrage.

d. Système de mesure

Lorsque vous effectuez des analyses en fréquences, le signal provenant du capteur de vibrations passe par tout un processus de traitement avant d'être finalement affiché à l'écran de l'analyseur de vibrations sous la forme d'un spectre de fréquences.

La figure suivante vous montre le schéma fonctionnel simplifié d'un analyseur de fréquence de même que la représentation graphique du signal vibratoire à la sortie des différents composants constituant le système de mesure.

La décomposition en fréquences est schématisée par le passage du signal original au travers d'une série de filtres dont les fréquences centrales coïncident avec celles des composantes harmoniques simples identifiées à la figure suivante comme étant f1, f2 et f3.

Le rôle des détecteurs est de quantifier l'énergie vibratoire à la sortie de chacun des filtres en termes de valeur efficace (RMS) ou encore de valeur de crête. L'affichage rend possible la visualisation des vibrations dans le domaine des fréquences sous la forme d'un graphique amplitude-fréquence.

Système de mesure :

2. Analyseur à large bande

En pratique, les analyseurs de fréquences peuvent être divisés en deux groupes caractérisés par la technique d'analyse utilisée : les analyseurs série et les analyseurs parallèle.

L'analyseur série peut être constitué d'un ensemble de filtres individuels à fréquence fixe, comme les filtres d'octave par exemple, avec le signal qui passe au travers de chacun des filtres de façon séquentielle en série, ce qui explique l'origine de son nom.

L'analyseur à pourcentage de bande constant est une autre conception où un seul filtre balaie de façon continue toute la gamme des fréquences. Il s'agit d'une méthode très bien adaptée aux mesures des vibrations. Elle permet la représentation d'une large gamme de fréquences sur un tracé compact.

Les analyseurs à pourcentage de bande constant ont été les plus employés pour la surveillance des machines avant l'arrivée en masse des analyseurs TRF. Vous en retrouverez encore beaucoup en usage. En connaître le principe de fonctionnement constitue une excellente introduction aux analyseurs parallèles.

a. Principe de fonctionnement

Le principe de fonctionnement de l'analyseur série est basé sur le balayage de la gamme de fréquences d'intérêt au moyen d'un filtre à pourcentage de bande constant dont la largeur de bande peut être plus ou moins étroite. Vous obtenez ainsi une amplitude vibratoire séparée pour chacune des positions du filtre ou des bandes de fréquence délimitées par la sélectivité du filtre.

Un filtre d'octave, par exemple, possède un largeur de bande d'environ 70 % de la fréquence centrale, alors que celle du filtre de tiers d'octave est d'environ 23 %. La sélectivité du filtre, qui n'est autre que son étroitesse, définit la résolution de l'analyse.

La figure suivante vous montre les spectres vibratoires d'une boîte de vitesses. Le spectre du haut a été enregistré avec un filtre dont la bande passante est de 23 % de la fréquence centrale, tandis que celui du bas a été obtenu à partir du même signal mais avec une bande passante de 3 %. Comme vous pouvez le constater, plus la largeur de bande est étroite, plus les informations obtenues sont détaillées.

b. Analyse à pourcentage de bande constant

Les analyses avec une bande étroite demandent une période d'analyse relativement plus longue que les analyses avec une bande large. Il s'agit d'une règle générale dont vous devez toujours vous rappeler lorsque vous effectuez des analyses de fréquences.

Pour vous aider à vous en souvenir, imaginez deux sabliers identiques à la seule différence que le premier possède un conduit pour l'écoulement du sable d'un diamètre plus étroit que le second. D'après vous, dans lequel des deux sabliers le sable s'écoulera-t-il le plus rapidement ? Vous trouvez la réponse à la figure suivante.

Analogie du sablier :

3. Analyseur TRF (FFT)

La seconde catégorie d’analyseurs est de loin la plus importante aujourd’hui. En effet, les percées technologiques des années 80 ont permis de réduire considérablement les coûts de production de ces instruments de mesure hautement performants.

Vous retrouvez désormais un analyseur à TRF (Transformée Rapide de Fourier) dans les départements de maintenance d’un nombre croissant d’entreprises soucieuses d’augmenter leur productivité par une disponibilité accrue des outils de production.

a. Principe de fonctionnement
L’analyseur TRF est un analyseur parallèle dans la mesure où il effectue des analyses dans toutes les bandes de fréquences simultanément avec pour conséquence un temps d’analyse considérablement réduit. L’analyseur TRF est un analyseur de fréquences numérique.

On l’appelle ainsi parce qu’il effectue une transformée rapide de Fourier du signal. L’analyseur capture d’abord un bloc de données constitué d’un grand nombre d’amplitudes vibratoires mesurées en fonction du temps. Ces valeurs sont ensuite converties sous forme numérique et enregistrées dans la mémoire interne de l’analyseur.

L’analyseur calcule ensuite le nombre de fréquences contenues dans ce bloc au moyen de la transformée rapide de Fourier. Vous avez dès lors la possibilité d’afficher à l’écran de l’analyseur la portion du signal analysée dans le domaine du temps (fonction temporelle) ou bien dans le domaine des fréquences (spectre de fréquences).

La figure suivante vous montre le schéma fonctionnel très simplifié de l’analyseur TRF.

b. Schéma fonctionnel de l’analyseur TRF

4. Résumé sur l'analyseurs de vibrations

A la suite de cette étude, vous devriez retenir les points suivants plus particulièrement.

• Les principales applications de l'analyseur de vibrations sont :

la détection précoce des défauts par comparaison des spectres de fréquences ;

le diagnostic des défauts par l'emploi de fonctions d'analyse élaborées ;

l'équilibrage des rotors.

• L'analyseur à bande large procède à une analyse série du signal de vibration au moyen d'un filtre à pourcentage de bande constant qui balaye toute la gamme des fréquences.

• L'analyseur TRF procède à une analyse parallèle du signal de vibration au moyen de la transformée rapide de Fourier qui calcule simultanément l'amplitude dans toutes les bandes de fréquence. L'analyseur TRF permet l'affichage des résultats autant dans le domaine du temps que dans celui des fréquences.

Vous connaissez maintenant les principales applications de même que le principe de fonctionnement des différents analyseurs de vibrations.

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