Comment Mesure-t-on les vibrations ?
Dans cette section, nous répondrons à ces questions.Après avoir lu cette section, vous pourrez:
- Reconnaître quelles machines doivent être surveillées
- Comprendre comment les capteurs de vibrations doivent être montés
- Déterminer comment les paramètres de mesure doivent être réglés
- Prendre des mesures de manière systématique
Quelles Machines Doivent être surveillées?
Au moment de décider des machines à surveiller, les machines critiques doivent avoir la priorité sur les autres machines. C’est à peu près la même chose que de surveiller la santé des personnes. Il est inapproprié de surveiller de près la santé de personnes en parfaite santé, puis d’abandonner la surveillance des autres qui en ont réellement besoin. Il en va de même lors de la surveillance de l’état des machines.
En général, les types critiques de machines suivants doivent être surveillés régulièrement afin d’éviter des problèmes inattendus et coûteux:
(a) Machines nécessitant des réparations coûteuses, longues ou difficiles en cas de panne
(b) Machines critiques pour la production ou les opérations générales de l’usine
(c) Machines connues pour subir fréquemment des dommages
(d) Machines dont la fiabilité est évaluée
(e) Machines qui affectent la sécurité humaine ou environnementale
Comment fonctionne l’Instrument ?
Avant de prendre une mesure de vibration, vous devez attacher un capteur capable de détecter le comportement des vibrations à la machine à mesurer. Différents types de capteurs de vibrations sont disponibles, mais un type appelé accéléromètre est normalement utilisé car il offre des avantages par rapport aux autres capteurs. Un accéléromètre est un capteur qui produit un signal électrique proportionnel à l’accélération de la composante vibrante à laquelle l’accéléromètre est attaché.
Quelle est l’accélération d’un composant vibrant? C’est une mesure de la rapidité avec laquelle la vitesse du composant change.
Le signal d’accélération produit par l’accéléromètre est transmis à l’instrument qui à son tour convertit le signal en signal de vitesse. Selon le choix de l’utilisateur, le signal peut être affiché sous forme d’onde de vitesse ou de spectre de vitesse. Un spectre de vitesse est dérivé d’une forme d’onde de vitesse au moyen d’un calcul mathématique connu sous le nom de Transformée de Fourier rapide ou FFT.
Le diagramme ci-dessous est une explication très simpliste de la façon dont les données de vibration sont acquises. Vous pouvez consulter d’autres documents tels que le Guide de référence des instruments de la série VB pour plus d’informations.
Comment l’Accéléromètre est-il monté?
La plupart des machines comportent des mécanismes rotatifs. Moteurs, pompes, compresseurs, ventilateurs, convoyeurs à bande, boîtes de vitesses, tous impliquent des mécanismes rotatifs et sont fréquemment utilisés dans les machines.
La plupart des mécanismes rotatifs ont à leur tour des roulements qui supportent le poids des pièces en rotation et supportent les forces associées au mouvement rotatif et aux vibrations. En général, de grandes quantités de force sont supportées par les roulements. Il n’est pas surprenant que les roulements soient souvent l’endroit où les dommages se produisent et où les premiers symptômes se développent.
Les mesures de vibrations sont donc généralement effectuées au niveau des paliers des machines, avec des accéléromètres montés au niveau ou à proximité des paliers.
Étant donné que les conclusions concernant l’état de la machine – et donc si l’argent et la sécurité humaine sont menacés ou non – dépendent de la précision des mesures, nous devons faire très attention à la manière dont les mesures sont prises. Il est important de toujours se rappeler que la façon dont nous montons l’accéléromètre détermine en grande partie la précision des mesures.
Comment les accéléromètres doivent-ils être montés pour garantir la précision des mesures et comment pouvons-nous le faire en toute sécurité? Voici quelques lignes directrices:
(a) Montez le plus près possible du roulement
Imaginez un médecin qui a écouté votre cœur à travers des vêtements épais et a placé le stéthoscope plus près de votre rein que de votre cœur. Vous douteriez probablement de son diagnostic car il le baserait sur des sons déformés par une obstruction excessive et le bruit d’autres organes.
Lors de la mesure des vibrations, nous devons toujours fixer l’accéléromètre le plus près possible du roulement. Plus précisément, il faut le fixer le plus près possible de l’axe du roulement pour éviter de capter des signaux déformés.
( b) Assurez-vous que l’accéléromètre est bien fixé
Pour que l’accéléromètre détecte un comportement vibratoire réel, il doit subir exactement le même mouvement vibratoire que le composant vibrant. Un accéléromètre doit donc être fixé fermement au composant vibrant de sorte qu’il ne bascule pas ou ne se déplace pas indépendamment du composant. Un accéléromètre monté de manière lâche produit des signaux déformés par ses propres mouvements indépendants et donne donc le mauvais message.
Différentes méthodes de montage existent, mais le montage au moyen d’un aimant est le plus populaire car il offre un équilibre entre fiabilité de la mesure et commodité pour l’utilisateur. Le support magnétique fourni dans le kit Commtest vb peut être fixé de manière très firme5, tout en permettant à l’utilisateur de mesurer plusieurs machines à l’aide du même accéléromètre, avec un minimum de temps consacré à la fixation et au détachement de l’accéléromètre.
Pour s’assurer que l’accéléromètre est bien fixé, il doit être collé à une surface de montage magnétique uniforme. Le support magnétique doit reposer solidement sur la surface avec l’accéléromètre positionné dans l’orientation prescrite.
Pour que la surface soit uniforme, elle doit être exempte de débris, de rouille et de peinture écaillée.
La surface de montage doit être vraiment magnétique (alliages de fer, de nickel ou de cobalt). Le support magnétique ne doit pas, par example, être fixé à une surface en aluminium grâce au fer sous la surface en aluminium.
Pour éviter la perte de magnétisme, le support magnétique ne doit pas être laissé tomber ou chauffé. Il faut également veiller à ne pas dénuder le filetage de l’accéléromètre et du support magnétique.
( c) Assurez-vous que l’Accéléromètre est Orienté correctement
Différentes situations nécessitent que l’accéléromètre soit orienté différemment. Par exemple, pour détecter un désalignement parallèle, l’accéléromètre est généralement monté dans la direction radiale des roulements, mais pour détecter un désalignement angulaire, l’accéléromètre doit être monté dans la direction axiale.
Le signal produit par l’accéléromètre dépend de l’orientation dans laquelle l’accéléromètre est monté, car l’amplitude (quantité) de vibration varie dans différentes directions.
( d) Montez le même accéléromètre au même endroit
Pour un point de mesure particulier, il est important de toujours monter l’accéléromètre au même endroit afin de minimiser les incohérences de mesure pouvant conduire à de mauvaises conclusions. Dans la mesure du possible, utilisez toujours le même accéléromètre pour un point de mesure particulier.
( e) Monter l’accéléromètre sur quelque chose de Substantiel
L’accéléromètre ne doit jamais être monté sur une partie très flexible de la machine car le spectre sera déformé par le battement de la partie flexible.
L’accéléromètre ne doit jamais être utilisé sur des structures très légères car le poids de l’accéléromètre et le montage magnétique déformeront le comportement vibratoire de la structure. En général, le poids combiné de l’accéléromètre et du support magnétique doit être inférieur à 10% du poids de la structure vibrante.
( f) Prenez soin de l’accéléromètre
Si l’accéléromètre est traité grossièrement, il peut produire des signaux peu fiables. En raison de la résistance du support magnétique, vous devez faire attention lors de la fixation de l’accéléromètre sur une surface de montage. Vous pouvez y parvenir en vous approchant de la surface de montage avec le support magnétique incliné. Lorsque vous détachez le support magnétique, vous ne devez pas utiliser l’accéléromètre comme levier pour rompre le contact. Au lieu de cela, le support magnétique doit être serré fermement puis incliné latéralement pour rompre le contact.
Le câble de l’accéléromètre ne doit jamais être tordu de manière aiguë, mais doit être ancré de manière à éviter qu’il ne soit endommagé. Des câbles torsadés ou oscillants librement peuvent déformer le spectre mesuré.
( g) Prenez soin de votre sécurité personnelle
Vous devez gérer les dangers en tout temps. Lors de la mesure des vibrations, trois types de dangers se distinguent par leur probabilité ou leur gravité: blessures causées par des pièces mobiles, des chocs électriques et des dommages causés par des aimants.
Tout d’abord, lors du montage de l’accéléromètre, vous devez veiller à éviter que le câble ne s’emmêle avec des machines en mouvement. Bien que le connecteur à dégagement rapide minimise ce danger, il ne doit pas être utilisé pour remplacer une installation correcte.
D’autres choses qui pourraient s’emmêler avec les machines en mouvement comprennent les vêtements amples, les cheveux longs, les câbles de transfert de données et les sangles.
Deuxièmement, vous ne devez jamais attacher l’accéléromètre à une surface à haute tension car cela pourrait provoquer un choc électrique.
Troisièmement, vous ne devez jamais amener le support magnétique à proximité d’objets sensibles aux aimants tels que des stimulateurs cardiaques, des cartes de crédit, des disquettes, des bandes vidéo, des cassettes et des montres, car ces objets peuvent être endommagés par des champs magnétiques.
Il existe d’autres dangers possibles. Vous devez lire et bien comprendre le Guide de référence de l’instrument vbSeries avant d’utiliser l’instrument ou les accessoires qui l’accompagnent.
Comment les paramètres sont-ils définis?
Quels sont les paramètres de mesure?
Les paramètres de mesure sont les détails qui spécifient comment une mesure doit être prise. En spécifiant les paramètres de mesure, nous précisons comment les données doivent être collectées et traitées avant de nous les présenter. Avant de prendre une mesure de vibration, nous devons spécifier quels paramètres seront utilisés.
Les paramètres de mesure des vibrations peuvent être comparés aux détails « quoi et comment » qu’un médecin doit spécifier avant d’effectuer un test médical.
Nous allons maintenant examiner comment les paramètres de mesure sont définis lorsque nous mesurons un spectre. Pour le reste de cette section, nous utiliserons l’instrument Commtest vb comme exemple d’instrument de surveillance des vibrations pour nos discussions, car il s’agit d’un instrument particulièrement simple à utiliser. Par exemple, les valeurs de paramètre de mesure par défaut (à l’exception de la valeur Fmax par défaut) conviennent à la plupart des mesures de vibrations, de sorte que dans la plupart des situations, peu ou aucune des valeurs de paramètre par défaut ne nécessite d’ajustement. Ces paramètres sont ceux affichés dans l’écran Set Parameters de l’instrument vb, avec ‘domain’ réglé sur ‘frequency’.
Quelles sont certaines de ces valeurs de paramètres de mesure et que signifient-elles?Les paramètres utilisés pour mesurer les spectres de vibration peuvent être divisés en quatre classes; à savoir, les paramètres qui déterminent:
(a) Comment les données sont collectées
(b) Combien ou à quelle vitesse les données sont collectées
(c) Comment les données sont traitées
(d) Comment les données sont affichées
(a) Comment les données sont collectées
Les paramètres qui déterminent comment les données sont collectées sont « Type de déclencheur » et les paramètres répertoriés sous « Configuration du capteur ».
‘Type de déclenchement’ est le paramètre qui indique à l’instrument comment commencer la mesure. S’il est réglé sur « Free run », l’instrument prendra des mesures en continu. Si la valeur est » Single « , un seul cycle de mesure aura lieu. Dans la plupart des cas, l’instrument peut être réglé sur « Free run ».
Les paramètres sous « Configuration du capteur » informent l’instrument du type d’accéléromètre utilisé pour prendre des mesures. Si l’accéléromètre de type ICP® fourni dans le kit vb est utilisé, le « courant d’entraînement » doit être activé et la « sensibilité » de l’accéléromètre doit correspondre à celle spécifiée sur la carte d’assurance qualité vb. Le « temps de décantation » est le temps nécessaire à l’accéléromètre et à l’instrument pour se décanter avant que les mesures puissent être prises avec précision. Vous devez utiliser la valeur par défaut « Temps de décantation » (qui varie avec la valeur Fmax) pour garantir la précision de la mesure.
(b) La quantité ou la vitesse de collecte des données
Les paramètres qui déterminent la quantité ou la vitesse de collecte des données sont les paramètres ‘Fmax’, ‘Raies spectrales’ et ‘Pourcentage de chevauchement’.
À la section 2, nous avons noté que plus la Fmax est élevée, plus la plage de fréquences sur laquelle l’information 6 peut être obtenue à partir du spectre est grande.
Ainsi, si la valeur Fmax est élevée, les données sont affichées jusqu’à des fréquences de vibration élevées. Pour obtenir des informations sur les fréquences de vibration élevées, la fréquence de mesure – ou le taux de données d’échantillonnage – doit également être élevée. En conséquence, plus le Fmax est élevé, plus la mesure sera rapide.
Plus un spectre a de raies spectrales, plus on peut en obtenir d’informations. Cela signifie que plus il y a de raies spectrales, plus il faut collecter de données pour générer les informations supplémentaires, et donc plus la mesure prendra de temps.
Quelle Valeur Fmax Doit être utilisée?
Plus la vitesse de fonctionnement de la machine est élevée, plus ses fréquences de vibration seront élevées et plus le Fmax devra être élevé pour capturer le comportement des vibrations à ces hautes fréquences.
Pour les vibrations qui n’impliquent pas de doigts rotatifs tels que les dents d’engrenage, les pales de ventilateur, les aubes de pompe et les éléments de roulement, une valeur Fmax égale à 10 fois la vitesse de fonctionnement est généralement suffisante pour capturer toutes les informations cruciales.
Par exemple, si la vitesse de fonctionnement est de 10 000 tr/ min, une valeur Fmax de 100 000 cpm (100 kcpm) est probablement suffisante.
Pour les vibrations impliquant des éléments à doigts tels que des engrenages, des ventilateurs, des pompes et des roulements à rouleaux, une valeur Fmax égale à 3 fois le nombre de doigts multiplié par la vitesse de fonctionnement est généralement suffisante pour capturer toutes les informations cruciales.
Par exemple, pour un engrenage entraîné par un pignon à 12 dents tournant à 10 000 tr/min, une valeur Fmax de 360 000 cpm (360 kcpm) est très probablement suffisante.
Si la valeur Fmax requise est très grande, la résolution du spectre sera faible et les informations relatives aux basses fréquences de vibration peuvent être perdues. Il peut être nécessaire de prendre des mesures Fmax faibles en plus de la mesure Fmax élevée.
Combien de Raies Spectrales Faut-il utiliser ?
Dans la plupart des cas, 400 lignes de résolution suffisent. Cependant, si une grande valeur Fmax est utilisée, les lignes seront réparties sur une large gamme de fréquences, laissant de grands espaces entre les lignes. Ainsi, pour de grandes valeurs Fmax, plus de raies spectrales peuvent être nécessaires pour éviter la perte de détails.
Il convient cependant de noter que plus les raies spectrales sont utilisées, plus la mesure prendra de temps et plus l’espace mémoire de l’instrument sera occupé. Une valeur Fmax élevée ou un nombre élevé de raies spectrales ne doivent donc être utilisées que lorsque cela est nécessaire.
Combien de Chevauchement Dois-je utiliser?
Le chevauchement des données est un moyen de réutiliser un pourcentage d’une forme d’onde précédemment mesurée pour calculer un nouveau spectre. Plus le « pourcentage de chevauchement » est élevé, moins les données nouvellement acquises sont nécessaires pour générer un spectre, et donc plus le spectre peut être affiché rapidement. le chevauchement de 50% est idéal dans la plupart des cas.
( c) Comment les données sont traitées
Les paramètres qui déterminent comment les données sont traitées sont les paramètres ‘Type moyen’, ‘Nombre de moyennes’ et ‘Type de fenêtre’.
Imaginez que vous deviez mesurer avec précision la largeur des pages de ce livre. Étant donné que la largeur peut varier légèrement d’une page à l’autre, vous mesureriez probablement non seulement la largeur d’une page, mais plutôt celle de quelques pages, puis vous prendriez la moyenne.
De même, lorsque la vibration est mesurée, plusieurs spectres sont généralement mesurés puis moyennés pour produire un spectre moyen. Le spectre moyen représente mieux le comportement des vibrations, car le processus de calcul de la moyenne minimise l’effet des variations aléatoires ou des pics de bruit inhérents aux vibrations de la machine.
Le paramètre « Type moyen » détermine comment les spectres sont moyennés. La moyenne » linéaire » est recommandée dans la plupart des cas. La moyenne « exponentielle » n’est généralement utilisée que si le comportement des vibrations varie considérablement au fil du temps. « Maintien de crête » n’implique pas vraiment de moyenne, mais provoque l’affichage de la pire amplitude (la plus grande) pour chaque raie spectrale.
Le paramètre ‘Nombre de moyennes’ détermine le nombre de spectres consécutifs utilisés pour la moyenne. Plus le nombre de spectres utilisés pour la moyenne est élevé, plus les pics de bruit sont lissés et plus les pics spectraux réels sont représentés avec précision.
Cependant, plus le nombre de moyennes est élevé, plus les données doivent être collectées, et donc plus il faut de temps pour obtenir le « spectre moyen ». Un « nombre de moyennes » de 4 est suffisant pour la plupart des cas.
Les données collectées ne sont généralement pas directement utilisées pour générer un spectre, mais sont souvent modifiées au préalable pour répondre à certaines limitations du processus FFT (le processus qui transforme les données en spectre). Les données sont généralement modifiées par multiplication avec une fenêtre de correction. Cela empêche les raies spectrales de se « maculer » ou de « fuir » les unes dans les autres.
‘Type de fenêtre’ est le paramètre qui détermine le type de fenêtre utilisé. La fenêtre « Hanning » est généralement utilisée. Si la fenêtre « rectangulaire » est utilisée, les données ne seront effectivement pas modifiées.
(d) Comment les données sont affichées
Les paramètres qui déterminent comment le spectre doit être affiché sont répertoriés sous « Unités d’affichage ».
Pour spécifier comment le spectre doit être affiché, l’échelle du spectre doit être spécifiée. L’échelle du spectre détermine la facilité avec laquelle les détails spectraux peuvent être vus et est définie par les paramètres ‘Échelle d’amplitude’, ‘Référence vdB’, ‘Plage de Log’ et ‘Vitesse max.
Dans la plupart des cas, l' »échelle d’amplitude » peut être « linéaire ». Si une échelle d’amplitude linéaire est utilisée, les paramètres ‘Référence vdB’ et ‘Plage Log’ sont sans conséquence (et n’ont donc pas besoin d’être définis).
En général, vous devez définir ‘Velocity max’ sur ‘Automatic’ pour permettre à l’instrument de sélectionner automatiquement une échelle d’amplitude idéale qui permet de voir clairement les pics spectraux.
Pour spécifier comment le spectre doit être affiché, le « type d’amplitude » à utiliser doit également être spécifié. Dans la section 2 (page 18), nous avons défini deux types d’amplitude : l’amplitude de crête et l’amplitude efficace.
Si l’amplitude ‘Ø-peak’ (ou ‘peak’) est utilisée, le spectre affichera la vitesse maximale atteinte par la composante vibrante aux différentes fréquences de vibration.
En revanche, si l’amplitude ‘rms’ est utilisée, une quantité indicative de l’énergie de vibration aux différentes fréquences sera affichée à la place.
Pour les spectres de vibration, l’amplitude de crête à une fréquence particulière est exactement √2 fois (environ 1,4 fois) l’amplitude efficace à cette fréquence. Ainsi, le type d’amplitude utilisé n’est pas vraiment important puisque des conversions d’amplitudes 7 peuvent être facilement effectuées.
Nous vous recommandons de toujours utiliser le même type d’amplitude pour un point de mesure particulier afin d’éviter les erreurs d’interprétation. Un passage de l’amplitude efficace à l’amplitude maximale provoque une augmentation apparente de l’amplitude de vibration qui pourrait être interprétée à tort comme une détérioration de la machine. En revanche, un passage de l’amplitude crête à l’amplitude efficace pourrait masquer une véritable augmentation de l’amplitude vibratoire.
Enfin, les unités d’amplitude et de fréquence à utiliser dans le spectre doivent également être spécifiées. Quelles unités doivent être utilisées est vraiment une question de choix personnel, ou plus souvent, de localisation géographique.
En Amérique du Nord, l’unité de vitesse habituellement utilisée (pour les échelles de vitesse linéaire8) est in/s, et une unité de fréquence couramment utilisée est kcpm (kilocycles par minute).
Dans d’autres parties du monde, l’unité de vitesse et l’unité de fréquence habituellement utilisées sont respectivement mm/s et Hz. Voici les relations entre les unités9:
5 Lorsqu’il est tiré perpendiculairement de la surface de montage, le support magnétique de l’accéléromètre vb résiste avec une force de 22 kgf (48,4 lbf)
6 Une Fmax plus élevée ne provoque pas la collecte de données supplémentaires, mais les données s’étendent sur une plus large gamme de fréquences.
7 Pour un spectre, l’amplitude de crête estfois l’amplitude efficace. Cette relation n’est généralement pas valable pour les formes d’onde.
8 De nombreux analystes vibratoires préfèrent l’unité de vitesse logarithmique vdB. Cependant, la discussion sur les échelles et les unités logarithmiques dépasse le cadre de ce livre.
9 Nous avons arrondi la conversion in/s ø-peak, mm/s rms à 18. Le rapport correct est de 17,96.
Du Guide du Débutant sur les Vibrations des machines, copyright © Commtest 1999, 2006.
Révisé le 28/06/06
Pour savoir comment configurer votre propre programme de surveillance des vibrations de la machine, contactez Commtest Instruments Ltd ou l’un de nos représentants pour une démonstration d’un système de surveillance des vibrations vbSeries. Pour connaître l’adresse de votre représentant le plus proche, veuillez visiter notre site Web au http://www.commtest.com