Mesure des vibrations introduction - Cours de Mécanique industrielle avec Maxicours

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Mesure des vibrations introduction

Répondre aux questions suivantes est le début d'un apprentissage qui vous amènera à réaliser le rôle important joué aujourd'hui par la mesure des vibrations dans tout programme de maintenance de machines industrielles.

  1. Pourquoi les machines vibrent-elles ?
  2. Pourquoi mesurer les vibrations sur une machine qui vibre ?
  3. La mesure des vibrations est-elle appropriée aux méthodes de maintenance pratiquées en industrie ?
  4. Comment mesure-t-on les vibrations ?
  5. Les vibrations mesurées sont-elles sévères ou acceptables ?
1. Vibrations dans les machines industrielles

Toutes les machines industrielles sont soumises à des vibrations. Les vibrations sont le reflet de l'état de la machine. En pratique, elles sont difficiles à éviter.

Ainsi, une machine neuve en excellent état de fonctionnement produit très peu de vibrations.

Avec le temps, les fondations qui supportent une machine travaillent, des pièces se déforment et des changements apparaissent dans les caractéristiques de la machine :

  • désalignement des arbres,
  • usure des paliers,
  • déséquilibrage des rotors,
  • accroissement des jeux.

La figure suivante montre les deux principales sources de problèmes à l'origine des vibrations sur les machines industrielles : composants défectueux et résonance.

Sources des vibrations :

2. Surveillance de l'état des machines

Dans le passé, le personnel de maintenance expérimenté pouvait, à l'oreille ou au toucher, s'assurer du bon fonctionnement d'une machine ou repérer les défauts éventuels. L'acquisition de cette compétence exigeait d'une personne de passer beaucoup de temps auprès de "ses" machines.

Cette pratique s'applique difficilement au contexte d'aujourd'hui.

  • Les équipements fonctionnent automatiquement et ne requièrent que de temps à autre l'intervention des équipes de maintenance.
  • La plupart des machines tournent si vite que l'évaluation de leur condition ne peut se faire qu'à l'aide d'instruments de mesure conçus à cette fin.

La plupart des machines en bon état vibrent peu. Lorsque la condition de la machine se détériore, les vibrations augmentent.

Si l'augmentation des vibrations permet de détecter un défaut, l'analyse des caractéristiques vibratoires de la machine permet d'en identifier la cause.

La mesure et la surveillance de la vibration produite par une machine s'avère un excellent indicateur de son état.

a. Méthodes de maintenance

Les diverses méthodes de maintenance des équipements connues aujourd'hui sont :

la maintenance corrective  ;

la maintenance préventive.

Cette dernière peut être systématique ou conditionnelle. La pratique traditionnelle de la maintenance industrielle est fondée sur la maintenance corrective et la maintenance préventive systématique. C'est seulement au début des années 80 que les nombreux avantages de la maintenance préventive conditionnelle sont apparus.

b. Correctif

La maintenance corrective est la réparation après défaillance. On adopte principalement cette méthode quand un grand nombre de machines peu coûteuses fonctionnent en parallèle. La défaillance de l'une d'entre elles affecte peu la production. Une machine de rechange prend alors la relève pendant la période de réparation. L'avantage de cette méthode est qu'on la considère comme la moins coûteuse pour ce genre de situation.

La figure suivante montre une courbe représentant l'arrêt de production dû à une défaillance. Cette dernière, non prévue, se traduit par un arrêt brusque de la production.

Dans certains cas, il arrive qu'on laisse fonctionner des machines importantes (non dédoublées) jusqu'à la défaillance. Il est alors essentiel de déterminer la nature du défaut et de savoir quand la défaillance est susceptible de se produire. Cette information peut être obtenue en étudiant, à partir de mesures régulières, l'évolution des caractéristiques de la vibration.

La détermination du défaut permettra de commander, bien avant l'arrêt pour la réparation, les pièces de rechange nécessaires. Le personnel de maintenance, mieux préparé, pourra intervenir dans de meilleures conditions et dans un délai plus court, comme le montre la figure ci-après.

Mesures des vibrations = durée d'intervention réduite :

c. Préventif

Dans ce type systématique de maintenance les interventions se font à intervalles préétablis, par exemple toutes les 3 000 heures ou une fois par an. Les intervalles sont établis par le constructeur en fonction de la durée de vie des composants. Il arrive que l'intervalle recommandé par le constructeur soit révisé par le personnel de maintenance basé sur la performance réelle de l'équipement.

La figure ci-dessous montre le principe de la maintenance préventive systématique. Vous y remarquez que le taux de défaillance a tendance à être plus élevé immédiatement après une réparation. C'est pourquoi les mesures des vibrations peuvent être utilisées pour vérifier la qualité des composants remplacés et le travail de maintenance effectué.

Pratique de la maintenance préventive systématique :

L'avantage de cette méthode est que la plupart des travaux de maintenance peuvent être planifiés. L'inconvénient est que l'intervention n'a pas forcément lieu au moment le plus opportun. Le remplacement de pièces encore en bon état est coûteux. Il peut aussi être la source de défauts qui, autrement, ne se seraient jamais manifestés.
d. Conditionnel

Il s'agit ici de chercher à prévoir les défaillances par la surveillance des vibrations, périodiquement. En faisant un tracé des valeurs mesurées en fonction du temps ou des heures de marche, il est possible d'estimer la date à laquelle les vibrations atteindront un seuil critique. On peut alors arrêter et réparer la machine avant que la défaillance ne survienne tout en évitant les arrêts superflus.

Vous pouvez voir à la figure ci-dessous l'exemple d'une pompe dont les roulements doivent être remplacés. Remarquez combien la fréquence des mesures augmente avec le développement du défaut. Une détection précoce donne le temps de diagnostiquer le défaut, de commander les pièces de rechange et de faire coïncider la réparation avec une période d'arrêt normale.

Pratique de la maintenance préventive conditionnelle :

Le principe de base de la maintenance conditionnelle est que les révisions ou les réparations ne sont entreprises que lorsque les mesures effectuées en indiquent la nécessité. Autrement dit, vous ne touchez pas à une machine qui fonctionne bien.
e. Paramètres de surveillance

La maintenance conditionnelle est basée sur la mesure de nombreux paramètres différents, dont la vibration. Le tableau de comparaison de la figure ci-dessou montre que la vibration demeure toutefois le meilleur paramètre pour détecter les défauts les plus courants sur les machines.

Paramètres de surveillance pour la détection des défauts :

3. Mesure des vibrations en pratique

Les vibrations mécaniques sont détectées par un capteur de vibrations, appelé accéléromètre, monté sur la surface de la machine, comme vous pouvez le voir à la figure suivante. L'accéléromètre convertit le signal mécanique en un signal électrique proportionnel à l'accélération de la surface sur laquelle il est monté. Le signal est ensuite acheminé à un analyseur de vibrations ou bien à un mesureur de vibrations qui analyse le signal et affiche les résultats obtenus.

Mesure des vibrations :

Le mesureur de vibrations n'affiche que la valeur globale. Cependant pour la surveillance de certaines machines, cette donnée est suffisante.

Quant à l'analyseur de vibrations, il affiche les résultats sous la forme d'un spectre de fréquences. Le spectre met en évidence les composantes de fréquences individuelles qui caractérisent les vibrations en certains endroits de la machine.

Les composantes apparaissant le plus souvent sont celles associées à la vitesse de l'arbre d'entrée, à la vitesse de l'arbre de sortie, aux fréquences d'engrènement des roues dentées et aux fréquences de passages des billes dans les roulements.

4. Évaluation des vibrations

Les vibrations mesurées peuvent être évaluées de deux façons : par la comparaison avec les valeurs limites figurant dans des critères de sévérité et par la comparaison des spectres de fréquences.

a. Critères de sévérité

Un critère de sévérité de vibration typique se présente le plus souvent sous la forme d'un tableau. La condition d'une machine est classifiée, par exemple, en un état jugé bon, acceptable ou inadmissible en fonction de la valeur globale de vibration mesurée.

Le même critère s'applique parfois à plusieurs catégories d'équipements. La figure suivante vous montre un tel critère où les valeurs limites varient en fonction de la puissance des machines et du type de fondations. Les critères de sévérité proviennent essentiellement des organismes de normalisation (ISO), des constructeurs et d'associations professionnelles.

Critère de sévérité de vibration (selon ISO 2372) :

Le recours aux normes de sévérité constitue une première approche pour l'évaluation des niveaux de vibration. Elle a l'avantage d'être simple, rapide et peu coûteuse. C'est une solution simple qui convient pour les machines peu complexes.
b. Comparaison de spectres

En mesurant le spectre de fréquences d'une machine et en le comparant avec un spectre de référence mesuré alors que la machine fonctionnait de façon satisfaisante, l'augmentation du spectre de vibration causée par le développement des défauts apparaît clairement.

La figure ci-après représente la comparaison de spectres de vibration d'un moteur de 110 kW. Remarquez la courbe en trait épais qui correspond à la machine en bon état (spectre de référence). L'état actuel est représenté par la courbe en trait fin. L'augmentation aux hautes fréquences (zone hachurée) indique une détérioration de roulement.

Comparaison de spectres :

La comparaison de spectres donne une alarme plus précoce et plus sûre que le simple suivi de la valeur globale de vibration. Elle convient à toutes les machines, même les plus complexes.
5. Résumé sur le mesure des vibrations

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

• Une machine idéale ne vibrerait pas, car toute l'énergie serait employée à la réalisation du travail demandé. Les vibrations représentent avant tout une énergie perdue qui peut endommager la machine qui les produit.

 L'emploi des mesures de vibrations s'applique en maintenance préventive conditionnelle pour identifier le défaut et prédire le moment de la rupture, pour vérifier la qualité de la réparation et pour déterminer quelle machine sera révisée et à quel moment.

 La surveillance des vibrations donne le maximum d'informations sur la présence de défauts.

 Les outils pour la mesure des vibrations sont l'accéléromètre qui convertit la vibration en un signal électrique équivalent, le mesureur de vibrations qui donne une valeur globale et l'analyseur de vibrations qui identifie les composantes de fréquence liées aux défauts.

 Les vibrations permises et les vibrations inacceptables sont déterminées par la comparaison des valeurs mesurées à des critères de sévérité pour les cas simples, et par la comparaison des spectres de vibration pour les cas complexes.

Vous connaissez maintenant le rôle important que peut jouer la mesure des vibrations dans la maintenance des machines industrielles.

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