L’analyse des vibrations vous aide à surveiller et à détecter les problèmes à l’aide des données de vibration. Découvrez la méthodologie d’analyse des vibrations, les outils et techniques, les méthodes de mesure de l’analyse des vibrations, etc.

Qu’Est-Ce Que L’Analyse Des Vibrations?

L’analyse des vibrations est définie comme un processus permettant de mesurer les niveaux et les fréquences de vibrations des machines, puis d’utiliser ces informations pour analyser la santé des machines et de leurs composants. Alors que le fonctionnement interne et les formules utilisées pour calculer diverses formes de vibrations peuvent se compliquer, tout commence par l’utilisation d’un accéléromètre pour mesurer les vibrations. Chaque fois qu’une machine tourne, elle produit des vibrations. Un accéléromètre fixé à la machine génère un signal de tension qui correspond à la quantité de vibration et à la fréquence de vibration que la machine produit, généralement combien de fois par seconde ou par minute la vibration se produit.

Toutes les données collectées à partir de l’accéléromètre vont directement dans un collecteur de données (logiciel), qui enregistre le signal sous forme d’amplitude par rapport au temps (appelée forme d’onde temporelle), d’amplitude par rapport à la fréquence (appelée transformée de Fourier rapide), ou les deux. Toutes ces données sont analysées par des algorithmes de programmes informatiques, qui à leur tour sont analysés par des ingénieurs ou des analystes vibratoires formés pour déterminer la santé de la machine et identifier les problèmes imminents possibles tels que le relâchement, le déséquilibre, le désalignement, les problèmes de lubrification et plus encore. L’analyse des vibrations peut détecter des problèmes tels que:

• Déséquilibre
• Défaillances des roulements
• Relâchement mécanique
• Désalignement
• Résonance et fréquences naturelles
• Défauts du moteur électrique
• Arbres coudés
• Défaillances de la boîte de vitesses
• Espace vide ou bulles (cavitation) dans les pompes
• Vitesses critiques

Distributeur et fournisseur de formation à l’alignement et à la maintenance VibrAlign utilise l’exemple de la prise d’un ventilateur industriel, du retrait d’une pale de ventilateur et de son démarrage. Comme prévu, le ventilateur vibre en raison d’une roue de ventilateur déséquilibrée. Cette force déséquilibrée se produira une fois par tour du ventilateur. Un autre exemple serait une piste de roulement endommagée provoquant une vibration d’un rouleau de roulement chaque fois qu’il entre en contact avec l’écaillage (semblable à un nid-de-poule sur une route). Si trois rouleaux de roulement frappent l’écaillage par tour, vous devriez voir un signal de vibration de trois fois la vitesse de fonctionnement du ventilateur.

Méthodologie d’analyse des vibrations

Bien que les accéléromètres soient toujours l’outil le plus couramment utilisé pour collecter des données sur les vibrations, la technologie moderne et la technologie améliorée des capteurs ont permis la mise en place de capteurs laser sans contact à grande vitesse capables de détecter les problèmes que les accéléromètres ne peuvent pas détecter. Cela permet une analyse plus précise et plus localisée, et ouvre l’analyse des vibrations à une méthodologie plus large. L’analyse des vibrations est généralement divisée en quatre principes, et chaque principe vous donne des informations spécifiques sur les conditions de travail et les caractéristiques des pièces vibrantes.

1. Domaine temporel : Lorsqu’un signal de vibration est capté par un transducteur (dispositif qui convertit une grandeur physique en signal électrique) et affiché sur l’écran d’un oscilloscope, on parle de forme d’onde. Ce signal est dans le domaine temporel. Le domaine temporel est tracé en amplitude en fonction du temps. Alors que la plupart des problèmes de vibrations de la machine sont détectés à l’aide d’une analyse spectrale, certains types sont plus facilement visibles dans la forme d’onde.
2. Domaine fréquentiel: Lorsque la forme d’onde discutée précédemment est soumise à une analyse spectrale, le résultat final est une image de fréquence vs. amplitude, connue sous le nom de spectre. Le spectre est dans le domaine fréquentiel comme la vibration est dans le domaine temporel. L’analyse la plus approfondie des vibrations des machines se fait dans le domaine fréquentiel ou à l’aide d’une analyse spectrale.
3. Domaine commun : Comme les signaux de vibration varient avec le temps, le calcul de plus d’un spectre à la fois peut être utile. Pour ce faire, une technique de temps conjoint appelée Gabor-Wigner-Ondelette peut être utilisée. Cette technique est utilisée pour calculer les variations de la transformée de Fourier rapide (discutée ci-dessous), y compris la transformée de Fourier à court terme (STFT).
4. Analyse modale: L’analyse modale prend les fonctions de réponse en fréquence mesurées d’une machine et les place dans un modèle informatique. Le modèle informatique peut être affiché avec des animations de tous les différents modes de vibration. Le modèle peut être ajusté en ajoutant ou en enlevant des éléments comme la masse ou la rigidité pour voir les effets.

En dehors de ces quatre principes de base se trouvent de nombreuses formes d’analyse, de calculs et d’algorithmes utilisés pour déterminer différents aspects de l’analyse vibratoire. Ceux-ci incluent:

• Forme d’onde temporelle: Une forme d’onde temporelle est une accélération vs. temps affiché sous forme de tableaux et de tracés. Les formes d’ondes temporelles montrent un court échantillon temporel de vibrations brutes, révélant des indices sur l’état des machines pas toujours clairs dans le spectre des fréquences. Un procédé d’utilisation de signaux de vibration de forme d’onde temporelle en tant qu’outil d’analyse de vibration consiste à utiliser la FFT.



• Transformée de Fourier rapide (FFT): La FFT est définie comme un algorithme utilisé pour calculer un spectre à partir d’une forme d’onde temporelle. En d’autres termes, c’est un calcul destiné à décomposer un signal en toutes ses fréquences. Si vous vous souvenez du domaine temporel et du domaine fréquentiel discutés ci-dessus, FFT convertit un signal du domaine temporel en domaine fréquentiel. La transformée de Fourier rapide est le plus souvent utilisée pour détecter les défauts de la machine tels que le désalignement ou le déséquilibre.
• Mesure de phase: Lorsqu’on parle d’analyse vibratoire, la phase est une différence de temps relative entre deux signaux mesurés en unités d’angle par opposition au temps. Cela ne fonctionne que si les deux signaux comparés sont de même fréquence. La mesure de phase est utilisée en tandem avec la FFT pour déchiffrer les défauts de la machine tels que les pièces détachées, le désalignement et le déséquilibre.
• Analyse d’ordre: L’analyse d’ordre est une variante de l’analyse FFT et est principalement utilisée pour quantifier les vibrations des machines avec des tours par minute (TR / min) variables. En d’autres termes, l’analyse d’ordre est une analyse de fréquence où l’axe de fréquence du spectre est indiqué en ordre de TR/ min plutôt qu’en hertz. Le terme  » ordres  » désigne une fréquence qui est un multiple d’une vitesse de rotation de référence. Par exemple, si un signal de vibration est égal à deux fois la fréquence de rotation du moteur, l’ordre est de deux.
• Densité spectrale de puissance (PSD): La densité spectrale de puissance est calculée en multipliant l’amplitude de la FFT par ses différentes formes pour la normaliser avec la largeur du bac de fréquence (la largeur du bac se réfère aux valeurs groupées de l’axe des abscisses). Pensez à PSD comme à regarder des vibrations ou des mouvements « aléatoires » à de nombreuses fréquences différentes. PSD compare avec précision les signaux de vibration aléatoires qui ont des longueurs de signal différentes.



• Analyse d’enveloppe: L’analyse d’enveloppe est une forme d’analyse vibratoire qui permet de détecter des impacts à très faible énergie souvent cachés par d’autres signaux vibratoires. C’est un outil de diagnostic populaire pour les dents d’engrenage et les roulements à rouleaux endommagés.
• Orbite : L’orbite est définie comme un tracé de l’axe central d’un tourillon de palier manchon. Il est mesuré en plaçant deux sondes dans le boîtier du roulement à 90 degrés l’un de l’autre. Les données de ces sondes peuvent être affichées numériquement et utilisées pour détecter les vibrations de l’arbre causées par le tourbillon d’huile – l’huile tourbillonnant à l’intérieur, provoquant le déplacement du tourillon.
• Analyse de résonance: L’analyse de résonance identifie toutes les vibrations et fréquences naturelles des machines. La présence de résonance signifie des vibrations élevées, qui pourraient atteindre des niveaux dommageables.

Catégories de mesure de vibration

• Niveau global de vibration: Vous pouvez penser à vérifier le niveau global de vibration comme un « contrôle approximatif » sur une machine. En sentant une machine avec votre main, vous pouvez déterminer si elle fonctionne à peu près sur une large bande de fréquences. Ce contrôle initial est préférable sur les machines tournantes, en particulier les machines à grande vitesse. Il n’est généralement pas applicable aux machines à mouvement alternatif.
• Analyse spectrale des vibrations: L’analyse spectrale est le processus de transformation d’un signal du domaine temporel au domaine fréquentiel. C’est souvent fait en utilisant la FFT. Le signal est analysé pour déterminer les fréquences importantes provenant des composants de la machine. Lorsqu’il y a un pic de signal de fréquence, c’est la source probable de vibration. Les applications courantes pour l’analyse spectrale incluent la vitesse de rotation d’un arbre ou la fréquence d’engrènement des dents sur une paire de roues dentées.
• Surveillance de fréquence discrète: Si vous devez surveiller un composant spécifique au sein d’une machine, la surveillance de fréquence discrète mesure le niveau de vibration généré à une fréquence particulière que ce composant devrait générer. Par exemple, si vous voulez examiner un certain arbre dans une machine, vous tournez la surveillance sur la vitesse de rotation de cette machine. La fréquence discrète est calculée à l’aide de l’algorithme FFT.
• Surveillance des impulsions de choc: La surveillance des impulsions de choc est une technique de maintenance prédictive qui surveille les roulements des éléments roulants à l’aide d’un instrument portatif. L’instrument portatif émet une fréquence naturelle excitée par les chocs ou les vibrations générés par les roulements. En d’autres termes, lorsque deux morceaux de métal se touchent en mouvement, des ondes de choc se développent à partir de l’impact, qui traverse le métal. Cette onde de choc est utilisée dans la surveillance des impulsions de choc.
• Mesure du Kurtosis: Le Kurtosis vous donne une mesure de « l’épi » d’un signal aléatoire. Les signaux avec une valeur de kurtosis plus élevée ont plus de pics supérieurs à trois fois la valeur quadratique moyenne (RMS) du signal. En analyse vibratoire, kurtosis est utilisé pour surveiller le développement de la fatigue dans les roulements à l’aide d’un instrument simple.
• Moyenne du signal: Comme les signaux changent avec le temps, la moyenne du signal est importante dans l’analyse spectrale car elle détermine le niveau du signal à chaque fréquence. C’est particulièrement important pour les mesures à basse fréquence car elles nécessitent un temps de moyenne plus long pour obtenir une estimation statiquement précise du spectre. La moyenne du signal est souvent utilisée dans la surveillance d’un engrenage par rapport à sa vitesse de rotation. Dans cet exemple, la moyenne du signal vous montrera l’action cyclique de chaque dent de l’engrenage. Si une dent présente une grande fissure, elle serait détectée en raison de sa flexibilité accrue.
• Analyse du cepstrum: Inventé à l’origine pour caractériser les échos sismiques produits par les tremblements de terre et les explosions de bombes, le cepstrum est utilisé pour examiner les motifs répétés dans un spectre. Les motifs répétés dans le spectre sont perçus comme une ou deux composantes dans le cepstrum avec plusieurs ensembles de bandes latérales, ce qui peut prêter à confusion. Le cepstre sépare ces bandes latérales comme la façon dont le spectre sépare les motifs temporels répétitifs de la forme d’onde. L’analyse du cepstrum est souvent utilisée pour examiner les interactions entre la fréquence de rotation des rotors à pales et la fréquence de passage des pales. Un autre exemple est l’examen des fréquences d’engrènement des dents d’engrenage et des vitesses de rotation des engrenages.

Paramètres de mesure de l’analyse vibratoire

Toutes ces techniques d’analyse vibratoire permettent d’identifier trois paramètres majeurs : l’accélération, la vitesse (RMS) et le déplacement. Chacun de ces paramètres met l’accent sur certaines plages de fréquences à leur manière et peut être analysé ensemble pour diagnostiquer les problèmes. Jetons un coup d’œil à chaque paramètre.

• Accélération : L’accélération accorde une plus grande importance aux hautes fréquences. Un signal d’accélération n’est cependant pas exclusif. Le signal d’accélération peut être converti en vitesse ou en déplacement.
• Déplacement: Tout comme l’accélération accorde une plus grande importance aux hautes fréquences, le déplacement regarde les basses fréquences. Les mesures de déplacement ne sont généralement utilisées que lors de l’examen du tableau général des vibrations mécaniques. Vous pouvez utiliser le déplacement pour découvrir le déséquilibre dans une pièce en rotation en raison d’un déplacement important aux fréquences de rotation de l’arbre de la machine.
• Vitesse: La vitesse est liée à la force destructrice de la vibration, ce qui en fait le paramètre le plus important. Il accorde une importance égale aux fréquences hautes et basses. Habituellement, la valeur efficace de la vitesse (mesurée dans la plage de 10 à 10 000 Hz) montre le meilleur signe de gravité des vibrations. RMS est calculé en multipliant l’amplitude de crête par 0,707.

Voici un exemple de ce à quoi ressemblent l’accélération, le déplacement et la vitesse sur le même signal. Vous pouvez voir certains pics aux mêmes fréquences, mais chacun a des amplitudes différentes. C’est un bon visuel de la façon dont chaque paramètre attribue une importance différente aux plages de fréquences.

Outils et technologies d’analyse des vibrations

Les technologies de pointe, en particulier les progrès de la technologie sans fil, ont grandement amélioré la façon dont les analystes des vibrations collectent, interprètent et partagent les données. Aujourd’hui, les analyseurs de vibrations sont extrêmement portables, communiquent avec les smartphones et les tablettes en temps réel et peuvent générer des FFT en très haute résolution. De nombreuses entreprises d’instruments de vibration développent leurs propres applications pour communiquer entre elles.

Une autre forme de technologie avancée que vous verrez avec les instruments d’interprétation de l’analyse des vibrations est la simulation 3D des vibrations des machines sous forme de déflexion opérationnelle (ODS). En un mot, ce type de logiciel exagère les mouvements induits par les vibrations dans un modèle 3D afin que vous puissiez visualiser les forces impactant votre machine pendant son fonctionnement.

Certaines entreprises d’instruments d’analyse des vibrations proposent des bases de données avec des milliers de fréquences de défauts de roulements préchargées pour vous aider à identifier certaines fréquences de défauts pour vos roulements. Certains logiciels peuvent surveiller en permanence la géométrie de vos éléments roulants et vous avertir lorsque des défaillances prématurées peuvent survenir.

Comme avec la technologie la plus avancée, la majorité des données d’analyse des vibrations sont automatiquement téléchargées dans le cloud et sont disponibles sur votre appareil mobile, votre ordinateur ou directement depuis votre navigateur. Ceci est particulièrement utile si vous effectuez une analyse des vibrations en tant que consultant tiers, afin que vous puissiez partager librement des spectres avec vos clients.

Avantages de la surveillance continue des vibrations

Les méthodes et outils discutés dans cet article sont non seulement parfaits pour déterminer ce qui ne va pas avec un équipement ou une machine (réactif), mais ils peuvent également être utilisés pour détecter les problèmes avant qu’ils ne provoquent des temps d’arrêt importants (proactifs). L’analyse et la surveillance des vibrations vous permettent d’examiner quantitativement la faiblesse ou le relâchement structurel, le relâchement des composants en rotation et la présence éventuelle de résonance.

Si elle est mise en œuvre correctement, la surveillance continue des vibrations vous aide à optimiser les performances des machines. Avec l’utilisation de la technologie moderne, vous pouvez prendre des lectures de vibrations continues sur divers équipements en temps réel et envoyer les données directement sur votre smartphone, tablette ou ordinateur de bureau via le cloud.

• Surveiller les équipements critiques: L’équipement critique est toute pièce d’équipement ou de machine qui pourrait vous faire prendre un gros coup financier en cas de défaillance. La surveillance continue des vibrations permet de détecter les écarts dans le spectre des vibrations, ce qui peut révéler des problèmes de lubrification et des défauts de roulement bien avant l’apparition de problèmes majeurs.
• Surveillez les équipements très utilisés: De nombreuses usines fonctionnent 24h/24 et 7j/7, ne s’arrêtant que tous les mois ou tous les trimestres pour un entretien de routine. Arrêter plus que cela peut coûter beaucoup d’argent à l’usine. La surveillance continue des vibrations en ligne permet de surveiller l’état des machines fortement utilisées ou des machines en difficulté et envoie des alertes lorsque cette condition change.
• Surveiller les équipements difficiles d’accès: Effectuer la maintenance des équipements situés dans des endroits difficiles d’accès est difficile. Les machines sur les toits, les tours de refroidissement et celles fonctionnant dans des zones à haute température peuvent être surveillées en permanence pour détecter les anomalies de vibration, ce qui permet d’effectuer la maintenance à un moment opportun. Cela évite les temps d’arrêt imprévus et empêche le personnel de maintenance d’accéder inutilement à ces emplacements.

Étude de cas sur l’analyse des vibrations

Les outils et techniques utilisés dans le processus d’analyse des vibrations peuvent être un peu déroutants sur le papier, alors jetons un coup d’œil à un exemple concret de IVC Technologies. Cette étude de cas particulière examine les essais d’une unité de traitement de l’air dans une installation pharmaceutique. L’unité est nécessaire pour faire fonctionner deux ventilateurs d’alimentation à pleine capacité pour répondre aux exigences de débit d’air fermé. L’unité de traitement de l’air dispose de deux ventilateurs à couplage direct, chacun équipé d’un moteur de puissance de 150 chevaux. L’évaluation initiale de l’unité de ventilateur a montré que l’unité fonctionnait normalement lorsqu’un ventilateur fonctionnait, mais une fois que le deuxième ventilateur était allumé, des problèmes de vibration se présentaient à certains points de consigne.

L’analyse des vibrations a révélé qu’une fois le ventilateur no 2 allumé, une légère augmentation de l’amplitude des vibrations aux trois points de mesure s’est produite, tandis que le ventilateur No 1 est resté le même. Les tests ont montré que l’amplitude la plus élevée apparaissait dans la verticale hors-bord du moteur à 0,456 pouce par seconde, avec un pic dominant à 841 cycles par minute, selon IVC Technologies. Cela a indiqué que le problème pourrait être une vibration de résonance structurelle, car les données spectrales ne montraient aucun autre signe de problèmes mécaniques.

* Informations tirées de l’étude de cas de l’unité de traitement d’air IVC Technologies

En tant que consultant, IVC Technologies a recommandé à l’entreprise d’inspecter la structure du châssis et l’absorbeur dynamique du ventilateur No 2. Un test de choc a également été recommandé pour localiser et analyser davantage la vibration de résonance.