Mesure de vibrations globales - Cours de Mécanique industrielle avec Maxicours

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Mesure de vibrations globales

Le type de mesure de vibrations le plus simple est la mesure du niveau de vibration global en bande large, par exemple de 10 à 1 000 Hz en vitesse ou de 10 à 10 000 Hz en accélération.

En effectuant une analyse de tendance, vous jugerez de l'importance du niveau réel mesuré en comparaison avec les niveaux mesurés antérieurement.

Une autre façon d'utiliser ces mesures consistera pour vous à les comparer avec des critères de vibration reconnus.

1. Analyse de tendance

Les machines se détériorent rarement sans signes précurseurs ; les signes d'une détérioration imminente sont présents bien avant que la détérioration ne cause l'arrêt de la machine.

Une analyse de tendance consiste à tracer le niveau de vibration en fonction du temps afin de déterminer la date d'arrêt de la machine pour réparation. La figure suivante vous montre une courbe en forme de baignoire. Elle représente un tracé typique du suivi en fonction du temps des vibrations sur une machine industrielle.

Analyse de tendance :

Si la mesure enregistrée est inférieure au niveau limite déterminé (seuil d'alarme), la fréquence des mesures, qu'elle soit hebdomadaire, mensuelle ou autre, demeure inchangée. Par contre, si la mesure enregistrée est supérieure au seuil d'alarme (figure 3.1), la fréquence des mesures doit augmenter dans le but de suivre plus précisément l'évolution de la vibration et la tendance générale de l'anomalie constatée.

De là, si la tendance persiste, la cause du défaut devra être trouvée et la réparation effectuée au moment jugé le plus opportun, c'est-à-dire selon l'urgence de la situation et les arrêts de production déjà planifiés.

a. Niveau de vibration admissible et dB

Le niveau de vibration admissible avant d'entreprendre une réparation est très souvent basé sur l'expérience. La surveillance des machines par la mesure des vibrations a montré que c'est l'accroissement du rapport des niveaux vibratoires qui représente le degré de sévérité, plus que le niveau nouvellement mesuré. D'où l'intérêt pour la mesure en dB, puisque les mêmes changements de rapport donnent les mêmes changements en dB.

La figure ci-après vous montre l'exemple d'un réducteur où une détérioration importante des roues dentées a eu pour conséquence une augmentation tout aussi importante de la vibration mesurée sur chacun de ses paliers. Dans tous les cas, l'accroissement du rapport des niveaux est égal à 20 dB.

On considère généralement que le seuil d'alarme devrait être situé à deux ou trois fois le niveau de vibration considéré comme normal (6 à 10 dB supérieur). Quant au niveau d'intervention, il ne devrait pas excéder un niveau dix fois supérieur au niveau normal (20 dB).

Rapports d'amplitude et dB :

Il est important de vous rappeler que chaque machine doit toujours être considérée comme unique. Vous éviterez ainsi la comparaison des niveaux de vibration entre des machines dites "identiques" à moins d'avoir une solide expérience du comportement vibratoire des machines en question.
b. Norme ISO 2372

La norme internationale Iso 2372 est sans aucun doute le critère de vibration le plus connu et le plus utilisé de tous. Elle traite de l'évaluation des vibrations mécaniques mesurées sur les machines industrielles. Les seules vibrations considérées sont celles qui se produisent en surface, sur les paliers ou aux points de fixation des machines, dans la gamme de fréquences allant de 10 à 1 000 Hz et dans une gamme de vitesses de fonctionnement allant de 10 à 200 tr/s.

La norme introduit une unité de mesure significative appelée "intensité vibratoire" qui se présente sur une échelle d'évaluation simple permettant une estimation sûre de la condition d'une machine.

2. Intensité vibratoire

L'expression "intensité vibratoire" désigne une valeur caractérisant la vibration. L'intensité vibratoire d'une machine est définie par la valeur maximale de la moyenne quadratique (valeur efficace) de la vitesse de vibration mesurée en des emplacements représentatifs du fonctionnement de la machine.

L'intensité vibratoire est l'unité considérée dans la norme Iso 2372 comme base de classification puisqu'elle caractérise, de façon simple et complète, l'état vibratoire d'une machine, et ce, sur la base de considérations théoriques et d'expériences pratiques reconnues.

a. Mesure de l'intensité vibratoire

La marche à suivre pour effectuer les mesures nécessaires à l'estimation de l'intensité vibratoire comporte certaines règles dont vous devrez tenir compte avant ou au cours du mesurage.

Instruments de mesure :

- Avant de procéder aux mesures, vous devez, selon les recommandations énoncées dans la norme Iso 2372, vous assurer que les instruments fonctionnent avec justesse dans les conditions environnantes existantes (températures, champs magnétiques, etc.). Ils doivent être vérifiés avant usage. Il faut aussi vous assurer que le capteur de vibrations est convenablement monté.

Points de mesure :

- Vous choisirez de préférence comme points de mesure les endroits où s'effectue la transmission de l'énergie vibratoire. La norme Iso 2372 confirme que pour les machines tournantes, les points de mesure à choisir de préférence sont les paliers et les points de fixation. Les mesures peuvent être effectuées dans les directions verticale, horizontale et axiale.

Conditions de fonctionnement :

- Les conditions de fonctionnement telles les températures, la charge, la vitesse, etc., doivent être enregistrées. Pour les machines à vitesse variable, la norme recommande d'effectuer les mesures à plusieurs vitesses en vue de localiser les fréquences de résonance éventuelles et d'évaluer leur influence sur les résultats obtenus.

b. Échelle d'évaluation de l'intensité vibratoire

En pratique, il peut être généralement considéré, toujours selon la norme Iso 2372, que des vibrations ayant la même valeur efficace de vitesse dans toute la bande de fréquences allant de 10 à 1 000 Hz ont la même intensité vibratoire.

La classification Iso propose un échelonnement de 4 dB entre chacune des gammes d'intensité vibratoire consécutives. Une différence de 4 dB correspond, en effet, à une variation sensible de la vibration sur la plupart des machines.

La figure suivante vous montre un tableau d'intensité vibratoire basé sur les recommandations contenues dans la norme Iso 2372. L'appréciation de la qualité d'une machine, ou de son degré de sévérité vibratoire, est classifiée selon un état jugé bon, acceptable, tout juste tolérable ou inadmissible pour des groupes particuliers de machines.

La puissance et le type de fondations sont essentiellement ce qui distingue les différents groupes entre eux.

Tableau d'intensité vibratoire :

Un critère de sévérité comme celui présenté à la figure ci-dessus montre bien que c'est le changement du niveau de vibration qui est important. La norme Iso 2372 indique, en effet, qu'un rapport de 2,5 (8 dB) est significatif parce qu'une augmentation de 8 dB provoque un changement de classe de qualité de "acceptable" à "tout juste tolérable", et ce, quelle que soit la taille de la machine considérée.

De même, un accroissement dans un rapport supérieur à 10 (20 dB) est sérieux, car il peut faire passer le classement de "bon" à "inadmissible".

c. Critères de sévérité

En plus des recommandations de la norme internationale Iso 2372, vous trouverez plusieurs autres critères de sévérité vibratoire reconnus dans l'industrie et dont l'intérêt repose sur le fait qu'ils vous fournissent des valeurs guides quant aux tolérances de vibration des machines industrielles.

Tableau de sévérité vibratoire :

Le tableau de la figure suivante montre un critère de sévérité vibratoire pour les machines en général. Ce critère s'applique aux mesures de vitesse et de déplacement sur les paliers. Vous remarquerez que la classification des mesures de déplacement est fonction de la fréquence.

Vous noterez aussi qu'il y a toujours un facteur 2 pour le passage d'une classe à la suivante, soit un intervalle constant de 6 dB, et que les échelles utilisées sont logarithmiques.

Le tableau de la figure 3.4 considère un montage rigide au sol ou sur une fondation pour les machines. Les machines montées sur des ressorts à boudin ou des coussins de caoutchouc affichent habituellement des niveaux de vibration plus élevés.

C'est pourquoi on tolère généralement des intensités vibratoires deux fois plus élevées pour des machines montées sur des isolateurs de vibration.

Critère de sévérité vibratoire pour les machines en général :

Table de critères pour les vibrations de paliers :

La "table de critères pour les vibrations de paliers" est un autre exemple de critère destiné uniquement à juger de l'état de fonctionnement des machines.

Ce critère de sévérité est tiré de la spécification du gouvernement canadien CDA/MS/NVSH 107 qui définit les limites vibratoires recommandées avant de procéder à l'entretien de machines de type et de dimensions spécifiques (figure suivante).

Cette spécification utilise aussi la valeur efficace de la vitesse mais sur une gamme de fréquences plus étendue que la norme Iso 2372, soit de 10 à 10 000 Hz. Les dB vitesse (VdB réf. 10-6 mm/s) sont utilisés par la Marine canadienne et la Marine américaine.

Une "longue durée de vie" telle qu'indiquée au tableau de la figure 3.5 fait référence à un fonctionnement sans problème pendant approximativement 1 000 à 10 000 heures de fonctionnement. Une "courte durée de vie" signifie approximativement 100 à 1 000 heures de fonctionnement dans les mêmes conditions.

Lorsque le "niveau d'examen" est atteint, il faut procéder à des analyses fréquentes en bandes d'octave, jusqu'au moment où le "niveau de remise à neuf" est lui aussi atteint dans une bande d'octave quelconque. Il faut alors réparer dans les plus brefs délais.

Table de critères pour les vibrations de paliers :

d. Charte de sévérité pour les roulements

Il existe une charte de sévérité pour évaluer la condition des roulements dont les valeurs limites sont basées sur la mesure du facteur de crête. Le facteur de crête définit le rapport de la valeur de crête d'un signal à sa valeur efficace.

Dans le cas des roulements, la détection précoce d'un défaut peut être obtenue par la mesure simultanée de la valeur efficace et de la valeur de crête de l'accélération dans une gamme de fréquences allant de 10 à 10 000 Hz.

En effet, quand de petits défauts apparaissent sur les billes ou sur les couronnes internes ou externes des roulements, ils produisent des chocs vibratoires de hautes fréquences pris en compte par le seul détecteur "crête". Le changement de la valeur efficace du signal reste minime, alors que la valeur de crête augmente de manière significative.

La figure suivante vous montre un critère de sévérité qui s'applique aux roulements antifriction sur des machines simples, c'est-à-dire qui possèdent un entraînement direct ou par courroies. La méthode du facteur de crête n'est pas appropriée, par exemple, pour évaluer la condition des roulements dans une boîte de vitesses.

Charte de sévérité pour les roulements :

 

3. Résumé sur les mesure de vibrations globales

Après avoir parcouru cette étude, assurez- vous de retenir les points suivants.

• La mesure des vibrations en large bande est une façon simple et efficace de détecter une condition anormale du fonctionnement sur une machine.

• L'analyse de tendance est le tracé de l'amplitude vibratoire en fonction du temps. Vous pouvez ainsi suivre la détérioration de l'état d'une machine par des mesures régulières dont la fréquence augmente quand un défaut est détecté, soit quand l'amplitude mesurée a doublé ou triplé par rapport à la valeur initiale. Quand l'accroissement atteint dix fois la valeur initiale, les risques de défaillance imminents sont très élevés.

• L'évaluation de la condition d'une machine peut aussi se faire par la comparaison des valeurs mesurées sous des critères de vibration reconnus.

Ces critères fournissent des valeurs étalons quant aux tolérances de vibration des machines industrielles. Plusieurs font l'objet de normes nationales et internationales représentant une somme d'expérience pratique souvent considérable.

• L'intensité vibratoire telle que définie par la norme Iso 2372 est la valeur efficace de la vitesse de vibration mesurée sur une gamme de 10 à 1 000 Hz.

• Le degré de sévérité d'une machine, évalué à partir de la mesure de l'intensité vibratoire, est classifié selon un état allant de bon à inadmissible.

• Il existe aussi des critères conçus spécifiquement pour l'évaluation de la condition des roulements. Le paramètre vibratoire alors utilisé est l'accélération mesurée dans une gamme allant de 10 à 10 000 Hz.

Vous savez maintenant comment exploiter l'information obtenue à partir de mesures simples effectuées à l'aide d'un mesureur de vibrations.

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