Utilisation d'un analyseur (2) - Cours de Mécanique industrielle avec Maxicours

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Utilisation d'un analyseur (2)

1. Paramètres de curseur

Les fonctions de curseur disponibles varient selon le modèle de l'analyseur que vous utilisez. Vous aurez quand même toujours à votre disposition un curseur principal et un curseur de référence.

a. Curseur principal
Le curseur principal sert à relever l'amplitude ou le niveau des données à une fréquence ou à un temps choisis. La valeur affichée est toujours en accord avec les réglages que vous aurez préalablement effectués. Que l'analyse soit réalisée en largeur de bande constante (FFT) ou en pourcentage de bande constant (PBC), la position du curseur indique toujours la fréquence centrale de la bande mesurée. Le curseur principal apparaît toujours à l'écran de l'analyseur.
b. Curseur de référence
Le curseur de référence définit le niveau original pour le curseur principal. Autrement dit, les valeurs Y du curseur principal sont calculées et affichées par rapport à la valeur Y du curseur de référence, quel que soit le domaine dans lequel vous travaillez (temporel ou fréquentiel).
2. Outils de diagnostic

Lorsque l'amplitude du signal de vibration d'une machine a augmenté, il est toujours utile de connaître la cause de ce changement pour que les décisions appropriées soient prises, tout en réduisant la durée d'immobilisation de la machine. C'est la raison d'être des outils de diagnostic des analyseurs de vibrations.

Les plus communs sont le zoom, le curseur d'harmonique, la moyenne temporelle synchrone, la mesure de phase et la recherche de résonance.

a. Analyse en mode zoom

En effectuant un zoom sur une plage de fréquences d'un spectre de vibration, vous augmentez grandement la résolution de cette partie du spectre. Une composante dans le spectre de base peut se révéler être deux composantes ou davantage dans le spectre "haute résolution".

En effet, le zoom augmente le rapport signal/bruit de la fonction affichée, permettant ainsi de distinguer les composantes de très faible amplitude.

Un zoom sur la fréquence d'engrènement (produit de la vitesse de rotation par le nombre de dents) d'un réducteur vous permet de distinguer la présence de bandes latérales. Leur espacement correspond alors à la vitesse de rotation de l'une ou l'autre des roues dentées. L'augmentation du nombre et de l'amplitude de ces bandes latérales révélera un roulement défectueux sur l'arbre en question, un désalignement ou encore un pignon détérioré.

La figure suivante vous montre le résultat de mesures effectuées sur un moteur électrique de 450 ch entraînant un compresseur à vis. Le spectre du haut révèle une composante prédominante à 120 Hz.

La fréquence de 120 Hz est très souvent associée à des problèmes d'origine électrique puisqu'elle correspond au deuxième harmonique de la fréquence du courant d'alimentation (60 Hz) aux États-Unis, Canada, etc. Ce défaut correspond à un balourd magnétique du stator. En France ce pic se situe à 100 Hz (2 x 50 Hz).

Analyse en mode zoom :

Le spectre "zoomé" révèle une autre information importante, soit l'existence non pas de une mais bien de deux composantes vibratoires d'amplitude élevée : l'une à deux fois la vitesse de rotation du moteur (119,56 Hz) ; l'autre à deux fois la fréquence du courant d'alimentation mentionné plus haut (120 Hz).

L'analyse en mode zoom vous fournit donc une information précise qui s'avère souvent indispensable pour l'identification des défauts sur les machines industrielles.

b. Curseur d'harmonique

Le curseur d'harmonique permet d'identifier les harmoniques associées à une fréquence fondamentale connue. Sur une échelle linéaire les harmoniques sont espacés uniformément. Le repérage rapide des composantes harmoniques est un outil précieux qui facilite grandement l'étude d'un spectre qui contient déjà beaucoup d'information (200, 400 ou encore 800 lignes).

Les utilisations principales du curseur d'harmonique sont les suivantes.

• L'étude des harmoniques d'une vitesse de rotation. Elle peut indiquer le jeu, le frottement, les dents d'engrenage cassées, l'excentricité de l'engrenage, les défauts de pales dans un ventilateur, etc.

 L'étude des harmoniques de la fréquence d'impact des billes. Elle peut indiquer un défaut local dans un roulement.

 L'étude des harmoniques de la vitesse de rotation de la courroie. Elle peut indiquer un défaut d'entraînement.

La figure suivante met en évidence un problème de jeux dans un palier lisse d'une pompe d'alimentation en eau actionnée par une turbine à vapeur. Le spectre en bande étroite ou FFT fait ressortir la fréquence fondamentale et un grand nombre d'harmoniques qui sont les signes traditionnels de jeux mécaniques.

Harmoniques :

c. Moyenne temporelle

Il a déjà été question du calcul de moyenne en mode fréquentiel où plusieurs spectres instantanés sont mesurés et un spectre moyen est calculé. La moyenne temporelle est tout à fait similaire, hormis qu'il n'y a pas de transformée de Fourier à calculer pendant le calcul de la moyenne des enregistrements temporels.

Le temps de calcul de la moyenne est par conséquent considérablement réduit. Vous pouvez ensuite choisir d'afficher sur l'écran de l'analyseur le spectre calculé à partir de la moyenne des fonctions temporelles.

La moyenne temporelle est le plus souvent utilisée avec un déclenchement externe (top de tour) de façon à synchroniser la moyenne avec un arbre ou un rotor de la machine étudiée.

Les utilisations principales de la moyenne temporelle synchrone sont les suivantes.

L'élimination des fluctuations aléatoires du signal de vibration (meilleur rapport signal/bruit).

L'élimination des signaux de vibration qui ne sont pas liés (asynchrones) avec le signal de déclenchement, pour séparer les vibrations des arbres dans les boîtes de vitesse, pour enlever les vibrations induites électriquement et pour séparer les vibrations des machines adjacentes asynchrones.

L'étude de la phase moyenne du signal de vibration pour l'équilibrage et pour la mesure de phase en général.

L'étude sur les moteurs à mouvement alternatif.

La figure suivante vous montre l'emploi de la moyenne temporelle utilisée ici pour éliminer du signal vibratoire les composantes provenant d'une machine adjacente à celle étudiée. Vous pouvez constater comment la moyenne de la fonction temporelle est "nettoyée" de toutes vibrations aléatoires et composantes asynchrones.

Il s'agit d'un outil à la fois simple et performant pour le diagnostic des défauts liés à la rotation des arbres. Vous ne devez pas oublier que la transmission des vibrations par les planchers et les structures est une chose courante en usine.

Moyenne temporelle avec déclenchement externe :

d. Mesure de phase

Les applications principales de la mesure de phase sont l'équilibrage, le diagnostic de défauts dans les arbres et l'investigation du mode de vibration. La mesure de phase n'a de sens qu'avec un point de référence connu. Elle est généralement réalisée par un déclenchement externe synchrone à la vitesse de rotation.

Deux méthodes de mesure sont recommandées:

  • La première consiste à utiliser soit une analyse de spectre en mode zoom, soit une moyenne temporelle pour enlever le bruit du signal de vibration.
  • La seconde consiste à utiliser le filtre accordable qui équipe certains analyseurs.

La figure suivante vous montre un affichage typique d'une mesure de phase réalisée à l'aide d'un analyseur de vibrations ainsi conçu. L'utilisation d'un filtre élimine automatiquement l'influence de composantes fréquentielles situées à l'extérieur de la largeur de bande choisie.

Affichage d'une mesure de phase :

e. Recherche de résonance

La recherche de résonance par technique d'impact est une méthode rapide pour trouver des résonances structurelles qui peuvent causer de hauts niveaux de vibration à certaines fréquences.

La méthode consiste à frapper à l'aide d'un marteau la structure d'une machine sur laquelle vous aurez d'abord monté un accéléromètre (figure suivante).

Vous choisirez de préférence un marteau en caoutchouc pour l'excitation des basses fréquences. Un marteau en fibre convient tout à fait pour la recherche de résonance dans la gamme des fréquences intermédiaires. Un marteau en métal constitue le meilleur choix pour l'excitation des hautes fréquences.

Un petit coup de marteau suffit la plupart du temps pour exciter adéquatement la structure. Il s'agit d'une méthode non destructive, ne l'oubliez pas !

Test d'impact :

Vous devez régler le déclenchement de l'analyseur sur "interne". L'enregistrement de la réponse de la structure, à la suite de l'impact, se fera dès le dépassement du niveau de déclenchement. La figure ci-dessous vous montre le résultat de mesures enregistrées sur le palier d'une soufflante centrifuge à quatre étages présentant une vibration axiale excessive.

Le spectre de détection à pourcentage de bande constant (PBC de 6 %) révèle un niveau de vibration élevé à la fréquence de rotation.

Recherche de résonance :

Le test d'impact, réalisé une fois la machine arrêtée, produit une réponse en fréquence qui montre la présence d'une résonance particulièrement bien définie autour de 60 Hz. La fonction temporelle du signal confirme l'oscillation libre du palier et vous montre la faible rigidité de la structure à cette fréquence.
3. Résumé sur l'utilisation d'un analyseur

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

• Le module d'entrée de l'analyseur de vibrations reçoit et traite le signal vibratoire provenant de différents capteurs de vibrations en plus du signal électrique généré par une sonde tachymétrique.

• Le réglage du gain permet d'optimiser le rapport signal/bruit du spectre affiché à l'écran de l'analyseur.

• La mesure d'un spectre FFT requiert de votre part de régler préalablement les paramètres suivants :

- le paramètre de vibration pour choisir entre la mesure de l'accélération, de la vitesse ou du déplacement si le capteur utilisé est un accéléromètre piézoélectrique ;

- la "pleine échelle" horizontale pour définir la gamme de fréquences de l'enregistrement et par conséquent la résolution en fréquences du spectre ;

- le nombre de lignes FFT pour déterminer la largeur de bande sur la gamme de fréquences choisie et par conséquent le temps de mesure total requis ;

- le mode de déclenchement pour commander le début de l'acquisition des spectres de vibration ;

- la moyenne de spectres pour le calcul d'un spectre qui supprime les fluctuations d'amplitude des composantes fréquentielles.

• Les principaux paramètres d'affichage d'un spectre sur l'écran de l'analyseur de vibrations portent sur le choix de la "pleine échelle" verticale, des unités sur les axes X et Y et de l'échelle des axes X et Y.

• Les outils de diagnostic que l'on retrouve sur la plupart des analyseurs de vibrations sont :

- le zoom pour l'analyse en "haute résolution" ;

- le curseur d'harmonique pour l'identification et l'étude des harmoniques ;

- la moyenne temporelle synchronisée pour l'élimination des signaux de vibration provenant d'autres sources que celle faisant l'objet de la mesure ;

- la mesure de phase pour le diagnostic des défauts liés à la rotation des arbres et pour l'équilibrage des rotors ;

- la recherche de résonance pour l'identification des problèmes d'origine structurelle.

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