L’analyse des vibrations est principalement une compétence acquise. Il est basé à 70% sur l’expérience et à 30% sur la formation en classe et l’autoformation. Il faut des années pour devenir un analyste des vibrations confiant et compétent. Lorsque l’analyse est fausse, les recommandations de réparation seront également incorrectes. Aucun analyste de vibrations ne veut faire le mauvais appel. Dans cette entreprise, la crédibilité se gagne à petits pas et se perd en gros morceaux.
Un capteur de vibrations placé sur un boîtier de palier et relié à un analyseur de vibrations fournit des informations de temps, de fréquence et d’amplitude sous la forme d’une forme d’onde et d’un spectre (Figure 1). Ces données constituent la base de l’analyse des vibrations. Il contient les signatures de presque tous les défauts mécaniques et électriques présents sur la machine.
Figure 1. Forme d’onde et spectre de vibration
Le processus d’analyse des vibrations consiste à déterminer la gravité des vibrations, à identifier les fréquences et les motifs, à associer les pics et les motifs à des composants mécaniques ou électriques, à tirer des conclusions et, si nécessaire, à formuler des recommandations de réparation.
Tout le monde impliqué dans l’analyse des vibrations sait que l’analyse des vibrations n’est ni facile ni automatisée. Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi? Voici quelques raisons:
1) Les Machines Ont plusieurs défauts: Les modèles de vibrations que nous apprenons à l’entraînement et dont nous lisons dans les livres ne se ressemblent tout simplement pas dans le monde réel. Nous apprenons comment les défauts mécaniques et électriques se présentent sous leur forme la plus pure – comme s’il n’y avait toujours qu’un seul problème sur la machine provoquant des vibrations. Les machines ont généralement plus d’un défaut produisant des vibrations. Au minimum, toutes les machines présentent un déséquilibre et un désalignement. Lorsque d’autres défauts se développent, la forme d’onde et le spectre deviennent rapidement compliqués et difficiles à analyser. Les données ne correspondent plus aux modèles de défauts que nous avons appris.
2) Vibration de cause à effet: Pour chaque action, il y a une réaction. Une partie des vibrations que nous mesurons est l’effet d’autres problèmes. Par exemple, la force causée par le déséquilibre du rotor peut donner à la machine l’impression d’être désalignée, desserrée ou frottée. Considérez toutes les choses qui secouent et cliquettent sur votre voiture lorsqu’un pneu se déséquilibre.
3) De Nombreux Types De Défauts Ont Des Modèles Similaires: Étant donné que les rotors de la machine tournent à une vitesse particulière et que les vibrations sont une force cyclique, de nombreux défauts mécaniques et électriques présentent des modèles de fréquence similaires qui rendent difficile la distinction entre un défaut et un autre.
Apprendre à analyser les vibrations prend juste du temps. Des cours de formation, des publications techniques et d’autres ressources telles que des ressources en ligne et du matériel d’auto-enseignement commercial sont disponibles pour améliorer les compétences en analyse et raccourcir la courbe d’apprentissage.
Il existe une technique de diagnostic qui parvient rapidement à la source de la plupart des problèmes de vibration. C’est peut-être la plus puissante de toutes les techniques de diagnostic des vibrations. Il existe depuis longtemps que l’analyse des vibrations elle-même n’a pas encore attiré beaucoup d’attention, et il est rare de trouver de bonnes informations sur le sujet. Quelle est cette technique? C’est ce qu’on appelle l’analyse de phase.
Qu’est-ce que la phase ?
La phase est la position d’une pièce en rotation à tout instant par rapport à un point fixe. La phase nous donne la direction des vibrations. Le réglage d’un moteur de voiture à l’aide d’un voyant de synchronisation et d’un capteur inductif est une application de l’analyse de phase (figure 2).
Figure 2. Le réglage du moteur à l’aide d’un voyant de synchronisation est une analyse de phase.
Une étude de phase est une collection de mesures de phase effectuées sur une machine ou une structure et évaluées pour révéler des informations sur le mouvement relatif entre les composants. En analyse vibratoire, la phase est mesurée à l’aide de techniques absolues ou relatives.
La phase absolue est mesurée avec un capteur et un tachymètre référençant une marque sur l’arbre tournant (Figure 3). À chaque point de mesure, l’analyseur calcule le temps entre le déclenchement du tachymètre et la vibration de crête de forme d’onde positive suivante. Cet intervalle de temps est converti en degrés et affiché en phase absolue (Figure 4). La phase peut être mesurée à la fréquence de rotation de l’arbre ou à tout nombre entier multiple de vitesse de l’arbre (fréquences synchrones). Une phase absolue est requise pour l’équilibrage du rotor.
Figure 3. Mesure de phase absolue
La phase relative est mesurée sur un analyseur de vibrations multicanaux à l’aide de deux capteurs de vibrations (de type similaire) ou plus. L’analyseur doit être capable de mesurer la phase cross-canal. Un capteur mono-axe sert de référence fixe et est placé quelque part sur la machine (généralement sur un boîtier de roulement). Un autre capteur mono-axe ou triaxial est déplacé séquentiellement vers tous les autres points d’essai (figure 5). À chaque point de test, l’analyseur compare les formes d’onde entre les capteurs fixes et itinérants. La phase relative est la différence de temps entre les formes d’onde à une fréquence spécifique convertie en degrés (Figure 6). La phase relative ne nécessite pas de tachymètre, de sorte que la phase peut être mesurée à n’importe quelle fréquence.
Figure 5. Mesure de phase relative
Figure 6. Phase relative Calculée Entre Deux Formes d’onde de vibration
Les deux types de mesures de phase sont faciles à réaliser. La phase relative est le moyen le plus pratique de mesurer la phase sur une machine car la machine n’a pas besoin d’être arrêtée pour installer du ruban réfléchissant sur l’arbre. La phase peut être mesurée à n’importe quelle fréquence. La plupart des analyseurs de vibrations à canal unique peuvent mesurer la phase absolue. Les analyseurs de vibrations multicanaux comme le VibXpert de Pruftechnik illustré à la figure 7 ont des fonctions standard pour mesurer la phase absolue et relative.
Figure 7. Analyseur de vibrations 2 canaux Pruftechnik VibXpert
Quand utiliser l’analyse de phase
Tout le monde a besoin d’une analyse de phase. Une étude de phase doit être effectuée sur les machines à problèmes lorsque la source de la vibration n’est pas claire ou lorsqu’il est nécessaire de confirmer les sources suspectées de vibration. Une étude de phase peut inclure des points mesurés uniquement sur les roulements de la machine ou des points sur l’ensemble de la machine, de la fondation aux roulements. Voici des exemples de la façon dont phase peut aider à analyser les vibrations.
Pied souple
Le terme pied souple est utilisé pour décrire la distorsion du cadre de la machine. Elle peut être causée par une condition où le pied d’un moteur, d’une pompe ou d’un autre composant n’est pas plat, carré et serré à son montage, ou bien d’autres choses, telles que des erreurs d’usinage, des pieds pliés ou tordus et des surfaces de montage non planes. Le pied souple augmente les vibrations et exerce une contrainte excessive sur les roulements, les joints et les accouplements. Un pied souple sur un moteur déforme le boîtier du stator, créant un entrefer rotor-stator non uniforme, ce qui entraîne des vibrations à deux fois la fréquence de la ligne.
Un bon système d’alignement d’arbre laser doit être utilisé pour vérifier le pied mou en desserrant les pieds de la machine un à la fois.La phase
peut être utilisée pour identifier le pied mou lorsque la machine est en fonctionnement. Mesurer la phase verticale entre le pied et sa surface de montage. Si le joint est serré, l’angle de phase est le même entre les surfaces. Si l’angle de phase est différent de plus de 20 degrés, le pied est lâche ou le cadre de la machine est fissuré ou fragile. La figure 8 est un exemple de déphasage sur un pied mou.
Figure 8. Un déphasage entre le pied et la monture peut indiquer un pied mou.
Roulements armés et arbres coudés
La phase est utilisée pour détecter les roulements armés et les arbres coudés. Mesurez la phase à quatre emplacements axiaux autour du boîtier du palier. Si le roulement est armé ou si l’arbre est plié à travers le roulement, la phase sera différente à chaque emplacement. Si l’arbre est droit et que le roulement ne tourne pas, la phase sera la même à chaque emplacement (figure 9).
Figure 9. La phase identifie le mouvement de roulement dans le plan ou en torsion.
Confirmer le déséquilibre
Une vibration radiale une fois par tour signifie généralement un déséquilibre du rotor. Utilisez la phase pour prouver que le déséquilibre est le problème. Pour confirmer le déséquilibre, mesurez la phase horizontale et verticale sur un arbre ou un palier. Si la différence entre les valeurs de phase est d’environ 90 degrés, le problème est le déséquilibre du rotor (figure 10). Si la différence de phase est plus proche de zéro ou de 180 degrés, la vibration est causée par une force de réaction. Une poulie excentrique et un désalignement de l’arbre sont des exemples de forces de réaction.
Figure 10. Le déphasage horizontal à vertical d’environ 90 degrés Confirme le déséquilibre
Relâchement, Flexion ou torsion
La phase est utilisée pour détecter les joints desserrés sur les structures et la flexion ou la torsion due à une faiblesse ou à une résonance. Pour vérifier le relâchement, mesurez la phase verticale au niveau de chaque joint mécanique comme indiqué par les flèches de la figure 11. Lorsque les joints sont desserrés, il y aura un déphasage d’environ 180 degrés. L’angle de phase ne changera pas à travers un joint serré.
Figure 11. Un déphasage entre les joints boulonnés indique un relâchement.
Désalignement de l’arbre
Le désalignement de l’arbre est facilement vérifié avec phase. Mesurez chaque palier dans les directions horizontale, verticale et axiale. Enregistrez les valeurs dans un tableau ou un diagramme à bulles comme indiqué à la figure 12. Comparez la phase horizontale d’un palier à l’autre sur chaque composant et à travers l’accouplement. Répétez la comparaison en utilisant des données verticales puis axiales. Un bon alignement ne montrera aucun déphasage important entre les roulements ou à travers l’accouplement. La machine de la figure 12 a un déphasage de 180 degrés à travers le couplage dans les directions radiales. Les directions axiales sont en phase à travers la machine. Les données indiquent un désalignement parallèle (décalé) de l’arbre.
Figure 12. Les données de phase Indiquent un Désalignement de l’arbre parallèle
Formes de déviation opérationnelles
Au lieu de comparer les nombres de phase et de magnitude d’un tableau ou d’un diagramme à bulles, un logiciel de forme de déviation opérationnelle (ODS) peut être utilisé pour animer un dessin de machine. Un SACO est une technique de mesure utilisée pour analyser le mouvement des équipements et des structures en rotation pendant un fonctionnement normal. Une ODS est une extension de l’analyse de phase où un modèle généré par ordinateur de la machine est animé avec des données de phase et de magnitude ou des formes d’onde temporelles mesurées simultanément. L’animation est analysée visuellement pour diagnostiquer les problèmes. Les tests ODS permettent d’identifier une grande variété de défauts mécaniques et de problèmes de résonance tels que le relâchement, le pied mou, les soudures brisées, le désalignement, le déséquilibre, la flexion ou la torsion dus à la résonance, la faiblesse structurelle et les problèmes de fondation.
La figure 13 est une simple SACO de trois arbres à couplage direct. La phase et la magnitude ont été mesurées à partir de sondes de déplacement X et Y montées en permanence sur un générateur à turbine. Les valeurs énumérées dans le tableau ont été utilisées dans le logiciel ODS pour animer un dessin en forme de bâton des arbres de turbine haute et basse pression et de l’arbre du générateur. L’image à droite du tableau est une capture de l’animation ODS montrant le modèle de vibration de chaque arbre et le mouvement relatif entre les arbres à 3 600 cycles par minute (vitesse de rotation).
Figure 13. Forme de déviation opérationnelle de l’arbre
De nombreuses machines vibrent en raison de la détérioration des fondations, du desserrement, de la résonance de la structure de support et d’autres problèmes qui se produisent sous les roulements de la machine. Une étude de phase peut inclure des centaines de points de test mesurés sur l’ensemble de la machine et de la fondation. Un bon logiciel ODS peut faciliter l’analyse des données de phase et de magnitude à partir d’un grand nombre de points de test. L’analyse d’un SACO implique l’observation et l’interprétation de la machine en mouvement. La figure 14 est un dessin de structure ODS d’une pompe verticale.
Figure 14. Dessin de la structure de la forme de déviation opérationnelle de la pompe verticale
Conclusion
Les tests de vibration basés sur l’état sont un élément essentiel d’un programme de maintenance basé sur la fiabilité. Les capteurs de vibrations, les instruments et les logiciels sont en mesure de fournir des informations clés sur la santé de la machine. Le maillon faible de la chaîne est la capacité de l’analyste à interpréter les données, à diagnostiquer avec précision le problème et à orienter le défaut jusqu’à ce qu’il soit temps de recommander des mesures correctives. L’analyse de phase est un outil de diagnostic très puissant. Chaque analyste des vibrations devrait utiliser phase pour améliorer la précision de l’analyse des vibrations.
À propos de l’auteur:
Tony DeMatteo est analyste de vibrations et instructeur de formation technique chez 4X Diagnostics LLC, une société de services et de formation fournissant des services de conseil, de mentorat et de formation en mesure diagnostique, analyse, test de forme de déviation opérationnelle et analyse modale. Il peut être joint au 585-293-3234 ou www.4xdiagnostics.com .
Tony DeMatteo est analyste de vibrations et instructeur de formation technique chez 4X Diagnostics LLC, une société de services et de formation fournissant des services de conseil, de mentorat et de formation en diagnostic…