Analyse vibratoire. Décembre Introduction

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1 Analyse vibratoire Décembre 2012 Introduction 1

2 Types de maintenance CURATIVE : réparation après casse + coût direct - coût indirect (stock, indisponibilité de production, risque de casse) PRÉVENTIVE : réparation à intervalles réguliers + possibilité de gestion du stock + meilleure disponibilité de production - faux sentiment de sécurité (trop tôt / tard) PRÉDICTIVE : suivi état machine + sécurité : état réel machine - coût direct apparent PROACTIVE : fonctionner dans les meilleures conditions + optimiser la production et la durée de vie - tout repenser Exemple : les plaquettes de frein CURATIVE : On les change que quand elle casse Gain d argent à court terme car pas d entretien Gros frais à long terme car disque à remplacer + main d œuvre, Danger point de vue sécurité! PRÉVENTIVE : Remplacement régulier des plaquettes Frais à court terme car entretien à intervalles réguliers Dépend de la conduite Aurait pu tenir 2X plus ou tient 2X moins PRÉDICTIVE : Suivi de l évolution de la dégradation Frais à court terme car plaquettes plus chères Optimisation de la durée de vie des plaquettes PROACTIVE : Optimiser l usage des plaquettes Faire attention à la manière dont on roule Mettre des plaquettes de bonne qualité 2

3 Les techniques Analyse Vibratoire Analyse des Lubrifiants Thermographie Infrarouge Contrôle Ultrasons Contrôle des Vannes Technologie la plus développée Technologie la plus complexe Contrôle des Moteurs électriques Température, mesures d Epaisseur, Endoscopie Les techniques Défaut Casse 3

4 Les 5 composantes de l analyse vibratoire La vibration générée par la machine Les capteurs et la mesure du signal Le traitement du signal La détection des dégradations Le diagnostic des défauts L analyse vibratoire Domaines d application : - Machine rotative - Analyse de structure - Pour analyser Répétition du défaut nécessaire ( = périodique ou excitation) Défauts décelables : - Balourd - Jeu - Roulement (piste interne, externe, cage ou éléments roulants) - Délignage - Engrenages - Courroies - Graissage - Frottement - Résonnance - Structure - Electrique - Cavitation - 4

5 Principes de vibration Qu est-ce qu une vibration? La vibration est le déplacement d un corps par rapport à une position de référence provoqué par une force mécanique non désirable. En pratique, le pendule va s arrêter suite à l application des forces de frottement. 5

6 Le pendule simple Sans frottement : Référence d X = A sin(ωt) 4 T A Sinus caractérisé par son amplitude et sa période Période = temps pour qu un phénomène se produise une fois Fréquence = nombre de fois qu un phénomène se produit par seconde T = 1/f t Le pendule simple d En amplitude : Unités : Déplacement : µm Vitesse : mm/s Accélération : g s T Pk-Pk Pk RMS t [ms] Grandeurs : Peak : 0 max RMS = 2/2*Peak Peak to peak : Max - Max + Convention Internationale : Déplacement Pk-Pk Vitesse RMS Accélération Pk 6

7 Traitement des signaux 2 domaines de représentation F balourd 0/4 d T 4/4 0/4 1/4 2/4 3/4 4/4 5/4 1/4 3/4 5/4 t 2/4 7

8 2 domaines de représentation Avec 3 infos Sinus exact : Forme Amplitude Période Dans domaine fréquentiel, les 3 infos dans 1 pic : Max + d T s Max + d Max - t [ms] FFT f s f [Hz] Une nouvelle unité: L ordre Définition: Le numéro d ordre peut être défini par le quotient de la fréquence analysée et la fréquence de rotation de l arbre de référence: # Ordre = F F analysée référence [ Hz ] [ Hz ] Le numéro d ordre est sans unité mais souvent on le représente par un x. 8

9 domaines de représentation Vibration complexe dans le domaine temporel = FORME D ONDE Représentation de la vibration dans le domaine fréquentiel = SPECTRE Forme d onde FFT Spectre FFT = décomposition en série de Fourier Vibration complexe ( = non sinusoïdale) périodique séparée en plusieurs composantes simples ( = sinus avec A et f spécifique) 2 domaines de représentation FFT FFT FFT 9

10 Traitement du signal FFT Time Amplitude Amplitude Amplitude Time Frequency Les défauts détectables par l analyse VIB 10

11 Le balourd Le balourd apparait généralement à la fondamentale de la vitessede la machine Déséquilibre Délignage (// ou angulaire) Délignage parallèle Délignage angulaire En pratique, délignage toujours mixte (// ET angulaire) 11

12 Délignage (// ou angulaire) Délignage // : Vue en coupe des arbres moteur/pompe M P M P M P M P d 0/4 1/4 2/4 3/4 0/4 2/4 4/4 d Max + T = 2/4 FFT M P 4/4 Plusieurs harmoniques car sinusoïde parfaite t 1/4 3/4 2xRPM 4x 6x f [Hz] Délignage (// ou angulaire) Délignage angulaire : En radiale : d d 4/4 0/4 Max + T FFT 1/4 3/4 5/4 t 2/4 En axial, vibration à 1x Pic à un ordre 1x RPM f [Hz] Particularité du délignage angulaire Composante axiale 12

13 Délignage (// ou angulaire) Délignage mixte Parallèle // ET angulaire Pics à 1x, 2x, ET composantes axiales d Max + En radial d Max + En axial 1xRPM 2x 3x 4x f [Hz] 1xRPM f [Hz] Délignage (// ou angulaire) Le délignage apparait généralement à 1, 2 ou 3x la vitesse de rotation 13

14 Jeu Exemple : Présence d un balourd résiduel avec pied bancal d 0/4 Quand arbre va vers le haut, palier aussi car non fixé Quand arbre va vers la droite, palier bloqué Quand arbre va vers le bas, palier bloqué Quand arbre va vers la gauche, palier bloqué 4/4 d Max T 1/4 2/4 3/4 t FFT 1xRPM 2x 3x 4x Plat = nécessite beaucoup de sinus pour être représenté avec Fourier f [Hz] Jeu Le jeu apparait généralement à plusieurs multiples de la vitesse de rotation Jeu 14

15 Défaut d engrènement T Max d f [Hz] Amplitude de F eng sera fonction de la qualité de l engrènement F engr Lubrification Usure globale Jeu de fond de denture Défaut d engrènement Soit la 2ème dent cassée sur un engrènement à 12 dents. A chaque fois que la dent cassée passe dans l engrenage, changement de la forme d onde. 1 tour Modulation à 1xRPM Bandes latérales espacées d 1xRPM d T FFT 1xRPM F engr f [Ordre] 15

16 Défaut d engrènement Le nombre de bandes latérales augmente avec l usure des dents Usure dentures Fréquences de roulement On entend par fréquence caractéristiques de roulement (ou fréquence de défaut de roulement) les fréquences qui sont générées par un défaut de roulement. Généralement, on peut distinguer 4 fréquences caractéristiques : La fréquence de rotation de la cage, la fréquence de rotation des billes (ou cylindres), la fréquence de passage des billes sur la piste externe et la fréquence de passage des billes sur la piste interne. 16

17 Fréquences de roulement Les abréviations courantes trouvent leur base dans les termes anglais : FTF : Fundamental Train Frequency BSF : Ball Spin Frequency BPFO : Ball Pass Frequency Outerrace BPFI : Ball Pass Frequency Innerrace La présence d une vibration à une des fréquences caractéristiques d un roulement nous indique qu il y a un défaut sur l élément en question. Fréquences de roulement Les fréquences caractéristiques dépendent de la géométrie du roulement : Le diamètre des billes (ou cylindres) Le diamètre primitif Le nombre des billes L angle de contact Vu que les fréquences caractéristiques exprimées en Hertz dépendent directement de la vitesse de rotation du roulement, on indique généralement les fréquences caractéristiques en nombre d ordre. 17

18 Fréquences de roulement Si on connait les informations géométriques d un roulement, on peut calculer par l application des formules suivantes les différentes fréquences caractéristiques : Fréquences de roulement Fréquence de la cage (FTF) = Fréquence de rotation des billes (BSF) = Fréquence de passage des billes sur la piste externe (BPFO) = Fréquence de passage des billes sur la piste interne (BPFI) = La plupart des logiciels d analyse vibratoire ont une base de données intégrée avec les fréquences caractéristiques de plusieurs milliers de roulements. 18

19 Défauts de roulement Quatres défauts de roulement Défaut d éléments roulants (BSF) Défaut de cage (FTF) Défaut de bague interne (BPFI) Défaut de bague externe (BPFO) Vibration générée par les défauts de roulement Impacts sur la piste externe Impacts sur la piste interne 19

20 Vibration générée par les défauts de roulement Impacts sur la piste externe Impacts sur la piste interne Modulation interne Période du défaut = temps entre deux impacts Dimension du roulement Nombre de billes RPM Défaut de bague externe La dégradation avancée d un roulement de piste externe est clairement visible dans le spectre Aide au diagnostic 1xBPFO BPFO = Ball Pass Frequency Outer race 20

21 Défaut de bague externe Défaut de bague interne BPFI Bagueinterne fissuréed un roulementvisible par les modulations des fréquencesde pisteinterne par la vitesse de rotation 1xRPM 1xBPFI BPFI = Ball Pass Frequency Inner race 21

22 Défaut de bague interne Défaut de cage avec éléments roulants Cage fissurée En zone de charge, fissure s écarte Bille vibre plus fort. La cage tourne plus lentement que la piste interne sinon, au lieu de rouler, les billes glisseraient. Constante de conception, 1 tour de cage = 0,4xRPM = FTF Eléments roulants! Avec des billes, défaut pas toujours visible car rotation de la bille sur elle-même! 22

23 Défaut de cage avec éléments roulants Défaut de cage caractérisé par des pics espacés de FTF (0,4 ordre) BSF Défautd élémentsroulantscaractérisés par des picsespacésde BSF BSF = Ball Spin Frequency FTF = Fundamental Train Frequency Les capteurs 23

24 Les capteurs Accéléromètres mesure l accélération de la vibration en g Les capteurs Accéléromètres Piézoélectrique : Fournit un courant s il est déformé Se déforme si on lui amène un courant Sensibilité : La sensibilité d un capteur dépend entre autres de la masse se trouvant à l intérieur du capteur. En effet, c est le mouvement de cette masse qui provoque la déformation du piézoélectrique. 24

25 Les capteurs Accéléromètres Largement utilisés en industrie - Qualité des mesures - Robustesse (choc, température, câblage, ) - Réponse en fréquence très étendue ( de 2Hz à 16kHz) - Grande variété de modèles en fonction de l application - Facilité de montage - Prix - Possibilité d intégration Représentation en vit. et dépl. - Avantages Large gamme de fréquences et d amplitudes Très solides Large gamme de modèles différents disponible La calibration reste stable dans le temps 25

26 Inconvénients Pas de réponse jusqu à 0 Hz en général mais des accéléromètres basse fréquence existent également. Limite de température Les capteurs 26

27 Acquisition Capteur acquiert Vibration Signal électrique VDC Carte d acquisition dans 2130 Numérisation / Echantillonnage Traitement informatique et FFT ou PeakVue TM Enregistrement des données et affichage de celles-ci. Détection des défauts Plusieurs méthodes de détection des défauts Niveau global Bandes de fréquence Tendances Analyse spectrale forme d onde autocorrélation 27

28 Alarme sur le niveau global Vibration totale de la machine : Cfr. norme ISO Détecte généralement le balourd (souvent amplitude élevée) Vibration globale Vibration totale de la machine: Etant exprimé en mm/s RMS, la valeur globale indiquée dans la norme est souvent inadéquat pour détecter des problèmes de roulement à un moment qui permet toujours une intervention planifiée. C est pourquoi on préfère de travailler avec des bandes de fréquences ou faire une analyse spectrale. 28

29 Bandes de fréquence Division du spectre en bandes de fréquence calculées en fonction des défauts potentiels pouvant se développer sur la machine Déséquilbre Délignage Jeu Roulement avancé Roulement début La résonance La résonance est un phénomène d amplification de l amplitude vibratoire. Si la fréquence de résonance d un élément de la machine ou de la structure est excitée, l énergie vibratoire est amplifiée. Cette amplification peut avoir des conséquence importantes et même causer la destruction de la machine/structure. 29

30 La résonance Il faut bien comprendre que l amplitude de la source d énergie vibratoire ne doit pas être élevée pour causer un problème de résonance. Il suffit qu il y a une légère vibration à la fréquence de résonance. La présence de cette vibration peut avoir des conséquences énormes. I-Care sprl (Siège) 7000 Mons Belgium Tel: FABRICE BRION fabrice.brion@icareweb.com I-Care SAS / France PASCAL LOCOGE pascal.locoge@icareweb.com I-Care / Germany ELMAR STEFFENS elmar.steffens@icareweb.com I-Care SRL / Italy GIULIA BACCARIN giulia.baccarin@icareweb.com I-Care Sp.z o.o. / Poland LUKASZ SZUMILAS lukasz.szumilas@icareweb.com I-Care Switzerland CEDRIC HEMBISE cedric.hembise@icareweb.com 30