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Demander une démoToute machine rotative produit des vibrations mécaniques lorsqu'elle fonctionne.
Ceci n'est pas un signe de dysfonctionnement.
Il s'agit d'une conséquence physique de la masse en rotation, des forces de contact des roulements, des interactions d'engrènement et des résonances structurelles présentes dans chaque moteur, pompe, ventilateur et boîte de vitesses, quel que soit leur état.
Les vibrations produites par une machine en bon état de fonctionnement possèdent une signature caractéristique, une amplitude et une distribution de fréquence spécifiques qui reflètent la géométrie, la vitesse et la charge de la machine.
Lorsqu'un défaut commence à se développer (défaut de roulement, problème de dent d'engrenage, déséquilibre d'arbre, défaut d'alignement), ce défaut produit une modification de la signature vibratoire.
Un roulement présentant un défaut de bague extérieure en développement produit des impacts à une fréquence spécifique déterminée par la géométrie du roulement et la vitesse de l'arbre, la fréquence de passage des billes de la bague extérieure (BPFO), qui n'est pas présente dans la signature vibratoire du roulement sain.
Un engrenage présentant un défaut de dent naissant produit des vibrations à la fréquence d'engrènement et à ses harmoniques avec un schéma de modulation d'amplitude caractéristique qui diffère de celui d'un engrenage en bon état.
Un arbre présentant un déséquilibre produit une amplitude de vibration accrue à sa vitesse de fonctionnement (la fréquence fondamentale), amplitude qui n'est pas présente lorsque l'arbre est équilibré dans les limites de tolérance.
L'analyse vibratoire consiste à mesurer ces signatures vibratoires, à les comparer à des valeurs de référence saines et à identifier les fréquences de défaut spécifiques qui indiquent des modes de défaillance en développement, avant que ces modes de défaillance n'évoluent vers une défaillance fonctionnelle qui arrête la production et nécessite une réparation d'urgence.
L'argumentaire financier en faveur de l'analyse vibratoire dans la maintenance industrielle repose sur une seule observation cohérente.
Les défaillances de roulements, le mode de défaillance le plus courant des équipements rotatifs en production, se développent sur plusieurs semaines ou mois, produisant des changements nets de la signature vibratoire avant que la défaillance fonctionnelle ne survienne.
L'intervalle PF pour une défaillance typique d'un roulement à billes, le temps entre la première anomalie de vibration détectable et la défaillance fonctionnelle qui arrête la machine, est de quatre à huit semaines dans la plupart des applications industrielles.
Une opération de fabrication sans surveillance des vibrations sur ses équipements rotatifs critiques ne découvre les défaillances de roulements que lorsque le roulement produit la défaillance soudaine, bruyante et interrompant la production qui marque la fin de cette période de quatre à huit semaines.
Une opération de fabrication équipée d'un système de surveillance des vibrations détecte le défaut naissant du roulement au début de cette période et remplace ce dernier lors d'une opération de maintenance planifiée dans les deux à trois semaines suivantes, avant qu'une panne fonctionnelle ne survienne.
La différence de résultat entre ces deux scénarios justifie à elle seule l'investissement dans l'analyse vibratoire.
Dans le premier scénario : un arrêt de production imprévu de 90 à 240 minutes, l'approvisionnement en pièces d'urgence, les heures supplémentaires, les dommages secondaires potentiels à l'arbre et au boîtier, et une réparation réactive qui coûte trois à quatre fois plus cher qu'un remplacement planifié.
Dans le deuxième scénario : un remplacement de roulement planifié en 45 minutes pendant une fenêtre de production prévue dans le planning, des pièces standard provenant du stock confirmé, une main-d’œuvre normale et aucun dommage secondaire.
Appliquée à l'ensemble des équipements rotatifs critiques d'une usine de fabrication (généralement 50 à 200 moteurs, pompes et réducteurs sur un site de production de taille moyenne), l'analyse des vibrations permet d'éviter les défaillances de roulements qui, collectivement, représentent une part importante des temps d'arrêt imprévus et des coûts de maintenance.
Comprendre ce que mesure l'analyse vibratoire nécessite une compréhension de base des grandeurs physiques impliquées, non pas à un niveau d'ingénierie poussé, mais à un niveau permettant aux professionnels de la maintenance et des opérations d'évaluer les options de mise en œuvre et d'interpréter les résultats synthétiques.
Ce qui est mesuré
La vibration se mesure comme l'oscillation d'une structure physique autour de sa position de repos.
Trois grandeurs physiques décrivent cette oscillation.
Le déplacement décrit l'amplitude du mouvement d'une structure par rapport à sa position de repos ; il est mesuré en micromètres ou en millièmes de pouce. La mesure du déplacement est particulièrement pertinente pour les vibrations de basse fréquence, comme l'analyse de l'orbite des arbres dans les paliers lisses et l'évaluation de l'alignement des machines.
La vitesse décrit le degré de déplacement d'une structure et se mesure en millimètres par seconde ou en pouces par seconde. La mesure de la vitesse est couramment utilisée pour l'évaluation générale de l'état des machines, car elle fournit une mesure cohérente sur une large gamme de fréquences.
L'accélération décrit la rapidité avec laquelle la vitesse varie ; elle se mesure en mètres par seconde au carré ou en g (multiples de l'accélération gravitationnelle). La mesure de l'accélération est particulièrement sensible aux vibrations à haute fréquence, notamment aux impacts liés aux défauts de roulement et aux défauts d'engrenages.
Comment cela se mesure
Les vibrations sont mesurées à l'aide d'accéléromètres, des capteurs électroniques qui convertissent les vibrations mécaniques en un signal électrique proportionnel à l'accélération de la surface sur laquelle ils sont fixés.
Les accéléromètres piézoélectriques sont les plus utilisés dans la surveillance des conditions industrielles : ils sont robustes, précis sur une large gamme de fréquences et disponibles dans une variété de formats pour répondre aux différentes exigences d’installation.
Le signal électrique provenant de l'accéléromètre est traité par un collecteur de données ou un système de surveillance, convertissant le signal brut du domaine temporel en données du domaine fréquentiel grâce à une transformation mathématique appelée transformée de Fourier rapide (FFT) qui révèle les fréquences spécifiques présentes dans la signature vibratoire.
Comment les défauts sont détectés
Dans une machine en bon état de fonctionnement, le spectre de fréquence des vibrations présente des pics aux fréquences de fonctionnement fondamentales, vitesse de rotation de l'arbre et ses harmoniques, fréquences d'engrènement des engrenages, fréquences de passage des roulements, avec des amplitudes caractéristiques d'un fonctionnement sain.
Lorsqu'un défaut se développe, de nouvelles composantes de fréquence apparaissent dans le spectre, aux fréquences spécifiques au type de défaut, ou les composantes de fréquence existantes augmentent en amplitude au-delà de leurs niveaux de base normaux.
L'analyste des vibrations identifie ces composantes de fréquence anormales, les compare aux signatures de fréquence de défaut connues pour la géométrie spécifique de la machine et diagnostique le type de défaut en développement à partir du modèle de fréquences anormales.
Chaque type de défaut d'équipement rotatif produit une signature vibratoire caractéristique, un ensemble de composantes de fréquence et de comportements d'amplitude qui le distingue des autres types de défauts et des vibrations d'une machine en bon état.
Comprendre ces signatures à un niveau élémentaire est utile aux professionnels de la maintenance et des opérations qui évaluent les résultats d'analyses vibratoires et communiquent avec des spécialistes.
défauts de roulement
Les défauts des roulements à billes produisent des vibrations à des fréquences spécifiques calculées à partir de la géométrie du roulement, les dimensions du roulement et le nombre d'éléments roulants, multipliées par la vitesse de l'arbre.
Quatre fréquences de défauts de roulement sont calculées pour chaque roulement.
Le capteur de fréquence de passage des billes de la bague extérieure (BPFO) est activé lorsqu'un élément roulant entre en contact avec un défaut sur la bague extérieure du roulement.
La fréquence de passage des billes sur la bague intérieure (BPFI) est activée lorsqu'un élément roulant entre en contact avec un défaut sur la bague intérieure du roulement.
La fréquence de rotation de la bille (BSF) est excitée lorsqu'un défaut est présent sur la surface de l'élément roulant lui-même.
La fréquence fondamentale du train (FTF) est excitée par les défauts de la cage.
Les défauts de roulement à un stade précoce produisent des impulsions à ces fréquences avec des amplitudes faibles par rapport au niveau de vibration global, ce qui nécessite des mesures d'accélération et des techniques de traitement du signal qui amplifient les composantes impulsionnelles par rapport à la vibration de fond.
À mesure que le défaut progresse, l'amplitude des composantes de fréquence du défaut augmente et le niveau global de vibration s'élève à mesure que l'état du roulement se détériore.
Déséquilibre
Le déséquilibre de rotation produit des vibrations principalement à la vitesse de rotation de l'arbre, la fréquence fondamentale, dans la direction radiale.
L'amplitude est proportionnelle à l'importance du déséquilibre et augmente avec le carré de la vitesse de rotation.
Le déséquilibre est l'une des sources les plus courantes de vibrations élevées dans les machines tournantes et l'une des plus faciles à diagnostiquer à partir du spectre des vibrations : un pic dominant à la fréquence fondamentale sans pics correspondants aux fréquences harmoniques est la signature classique du déséquilibre.
Désalignement
Un défaut d'alignement de l'arbre entre un moteur et une pompe, par exemple, produit des vibrations principalement à la vitesse de rotation de l'arbre et à sa deuxième harmonique, l'amplitude relative de la fondamentale et de la deuxième harmonique dépendant du fait que le défaut d'alignement soit principalement angulaire, parallèle ou une combinaison des deux.
Un défaut d'alignement produit également une vibration axiale élevée, une vibration dans la direction de l'axe de l'arbre, ce qui permet de le distinguer d'un déséquilibre, qui est principalement radial.
défauts d'engrenage
Les défauts d'engrenage produisent des vibrations à la fréquence d'engrènement, la vitesse de l'arbre multipliée par le nombre de dents de l'engrenage, et à ses harmoniques.
Un défaut de dent d'engrenage produit des bandes latérales autour de la fréquence d'engrènement, des composantes de fréquence supplémentaires espacées à des intervalles de vitesse de rotation de l'arbre au-dessus et en dessous de la fréquence d'engrènement, avec des amplitudes qui augmentent à mesure que le défaut de dent progresse.
Le diagnostic des défauts d'engrenage à partir des spectres de vibrations nécessite la connaissance de la géométrie de l'engrenage, et plus précisément du nombre de dents de chaque engrenage, afin de calculer les fréquences d'engrènement attendues et d'identifier les schémas de bandes latérales anormaux.
L'analyse vibratoire est mise en œuvre selon deux approches fondamentalement différentes, chacune présentant des profils de coûts, des capacités de détection et des applications appropriées différents.
Mesure périodique basée sur l'itinéraire
Dans le cadre de mesures basées sur un itinéraire, un analyste ou un technicien qualifié transporte un collecteur de données de vibrations portable jusqu'à chaque point de mesure sur un itinéraire défini, collectant des mesures de vibrations à chaque point lors de chaque visite et comparant les mesures aux valeurs de référence historiques et aux seuils d'alarme.
La mesure basée sur l'itinéraire est l'approche la plus largement déployée pour le parc d'équipements rotatifs généraux, elle est rentable car un seul instrument portable couvre des dizaines ou des centaines de points de mesure au lieu de nécessiter un capteur installé en permanence à chaque point.
L'intervalle de mesure (hebdomadaire, mensuel ou trimestriel) détermine l'intervalle minimal de défaillance détectable. Un intervalle de mesure mensuel permet de détecter les défaillances dont l'intervalle de défaillance est de quatre semaines ou plus.
Il ne permet cependant pas de détecter les défaillances qui se développent et évoluent jusqu'à une panne fonctionnelle entre deux mesures.
La mesure basée sur un itinéraire nécessite du personnel formé pour collecter les données de manière fiable (technique de mesure cohérente, placement correct des capteurs et réglages corrects des instruments) et soit des analystes formés, soit un logiciel de diagnostic automatisé pour interpréter les résultats.
surveillance continue en ligne
Dans le cadre de la surveillance en ligne, des capteurs installés en permanence à chaque point de mesure transmettent en continu des données de vibration à un système de surveillance central, détectant ainsi les franchissements de seuil et les changements de tendance en temps réel plutôt qu'entre des visites de mesure périodiques.
La surveillance en ligne est particulièrement appropriée pour les actifs les plus critiques, pour lesquels une surveillance continue est justifiée par les conséquences d'une défaillance, les actifs de niveau 1 dont la défaillance arrête complètement la production et dont l'intervalle PF est suffisamment court pour que la mesure mensuelle basée sur l'itinéraire puisse manquer des défauts naissants.
Le coût de la surveillance en ligne, capteurs installés de façon permanente, infrastructure de câblage ou de transmission sans fil et licences du système de surveillance, est nettement supérieur à celui de la mesure par point de surveillance basée sur un itinéraire.
Mais pour les dix à vingt équipements rotatifs les plus critiques d'une usine de fabrication, la valeur de prévention des pertes de production grâce à la surveillance continue justifie généralement l'investissement, car une seule panne évitée sur un équipement de production critique permet de récupérer plusieurs fois le coût de l'infrastructure de capteurs.
Dans la plupart des installations de fabrication, la mise en œuvre pratique combine les deux approches : la surveillance en ligne des cinq à dix actifs rotatifs les plus critiques avec des intervalles PF courts, et la surveillance basée sur les itinéraires pour le reste du parc.
L'analyse vibratoire ne révèle tout son potentiel financier que lorsque les défauts qu'elle détecte sont corrigés par des interventions de maintenance planifiées dans l'intervalle PF restant.
C’est le problème du délai d’intervention : le temps entre la détection par analyse vibratoire et une intervention de maintenance planifiée détermine si la détection empêche la panne ou si elle permet simplement de signaler plus tôt une panne qui se produit de toute façon.
Un programme d'analyse des vibrations qui génère des rapports de détection de défauts examinés lors d'une réunion de maintenance mensuelle, où un défaut de roulement détecté il y a trois semaines est d'abord discuté et un ordre de travail créé, a consommé la majeure partie de l'intervalle PF en retard administratif avant que toute action de maintenance ne commence.
Un programme d'analyse des vibrations qui génère automatiquement un ordre de travail de maintenance lorsqu'un seuil d'amplitude de fréquence de défaut configuré est franchi, en transmettant l'ordre de travail à l'appareil mobile du technicien responsable avec l'identification du roulement, la procédure de remplacement recommandée et la confirmation de la disponibilité des pièces, agit en quelques heures après la détection plutôt qu'en plusieurs semaines.
La différence entre ces deux scénarios réside dans la connexion entre le système de surveillance de l'état et le système d'exécution de la maintenance.
Lorsque ces systèmes sont séparés, la plateforme de surveillance des vibrations dans un système, le système de gestion de la maintenance assistée par ordinateur (GMAO) dans un autre, la connexion dépend d'une intervention humaine qui introduit une latence et une incohérence.
Lorsqu'elles sont intégrées, la détection des vibrations déclenchant la génération automatique d'ordres de travail sur la même plateforme, le délai d'action est éliminé et l'intervalle PF complet est disponible pour la planification et l'exécution au lieu d'être consommé par la coordination administrative.
Cette intégration – entre la détection de la surveillance de l’état et la réponse en matière d’exécution de la maintenance – transforme l’analyse vibratoire d’un outil de sensibilisation coûteux en un véritable programme de prévention des pannes.
Quels équipements doivent être surveillés par analyse vibratoire ?
Les équipements rotatifs répondant à trois critères sont prioritaires pour l'analyse vibratoire.
L'actif est de niveau 1 ou 2 dans la classification de criticité, sa défaillance entraîne des conséquences importantes en matière de production, de sécurité ou de qualité.
Le mode de défaillance dominant produit des signaux précurseurs détectables par vibrations : l’usure des roulements, le déséquilibre, le désalignement et les défauts d’engrenage répondent tous à ce critère.
L'intervalle PF pour le mode de défaillance dominant est suffisamment long pour une intervention de maintenance planifiée, généralement deux semaines ou plus pour la plupart des applications de roulements industriels.
Dans une installation de fabrication typique, cela comprend les moteurs de pompes critiques, les moteurs d'entraînement principaux sur les lignes de production, les réducteurs sur les équipements de production à grande vitesse, les ventilateurs et les compresseurs dans les systèmes CVC et de traitement critiques pour la production, ainsi que les séparateurs et mélangeurs centrifuges dans la fabrication de procédés.
À quelle fréquence faut-il effectuer des mesures de vibrations le long du parcours ?
La fréquence de mesure doit correspondre à l'intervalle PF des modes de défaillance dominants pour chaque actif.
Un mode de défaillance de roulement avec un intervalle PF de quatre à six semaines justifie une mesure mensuelle, offrant ainsi au moins deux possibilités de mesure au sein de l'intervalle PF pour détecter le défaut avant la défaillance fonctionnelle.
Un mode de défaillance de roulement avec un intervalle PF de huit à douze semaines peut être correctement surveillé par une mesure trimestrielle.
Les équipements présentant des intervalles PF courts connus, où les défaillances historiques ont progressé rapidement, justifient des mesures plus fréquentes ou une surveillance continue en ligne.
L'analyse vibratoire nécessite-t-elle une expertise spécialisée ?
La collecte de données en fonction des itinéraires peut être effectuée par des techniciens de maintenance formés aux techniques de mesure uniformes : placement correct des capteurs, réglages corrects des instruments et conditions de mesure uniformes.
L'analyse du spectre des vibrations et le diagnostic des défauts nécessitent soit un analyste des vibrations qualifié et certifié par un organisme reconnu tel que le Vibration Institute ou la norme ISO 18436-2, soit un système de diagnostic automatisé qui applique des algorithmes d'analyse de fréquence des défauts sans nécessiter d'interprétation manuelle du spectre.
La plupart des opérations de fabrication commencent par un logiciel de diagnostic automatisé qui interprète les mesures basées sur le parcours de production, réduisant ainsi le besoin d'expertise spécialisée tout en fournissant la capacité de détection des défauts qu'offre l'analyse vibratoire.
Dans une usine, chaque roulement révèle des informations à travers sa signature vibratoire, des semaines avant que cela ne se traduise par un arrêt de production imprévu. L'analyse vibratoire consiste à détecter ces informations suffisamment tôt pour prévenir les problèmes.
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