Notions de base et technologie

Une vibration harmonique peut être décrite par une fonction sinusoïdale. A cet égard, il existe différentes grandeurs qui sont pertinentes pour caractériser la vibration :

La période T désigne l’intervalle de temps après lequel un phénomène s’est répété entièrement. La valeur réciproque d’une période se nomme la fréquence (f = 1/T). A une vitesse de rotation d moteur à 3 000 tours par minute, la rotation se répète toutes les 20 ms (période T), ce qui correspond à une fréquence de 50 Hz.

L’amplitude A décrit le déport maximal d’une vibration par rapport à la position d’équilibre. A cet égard, il existe différentes notions qui peuvent être utilisées en rapport avec l’amplitude. Outre la valeur crête classique (= amplitude, Peak), la valeur efficace (= valeur RMS) et la largeur de vibration (= 2x amplitude, Peak-Peak) sont deux autres notions courantes.

La phase désigne la fonction angulaire ou le décalage temporel d’un phénomène périodique, par exemple d’une fonction sinusoïdale par rapport à une référence (exemple avec l’impulsion d’un codeur). Dans notre cas, la phase est une grandeur importante lors de l’équilibrage d’un système tournant pour déterminer le positionnement d’une masse d’équilibrage.

Dans la pratique, de nombreuses vibrations harmoniques différentes se chevauchent, c’est pourquoi les fonctions sinusoïdales particulières ne sont souvent plus décelables dans le signal temporel.

Domaine temporel

Lors de l’analyse dans le domaine temporel, le signal de vibration complexe superposé est représenté et analysé selon son évolution dans le temps. Lors de l’apparition de signaux ou de modèles dominants et transitoires dans le domaine temporel, il est possible de tirer des conclusions sur des détériorations.
Par exemple, les dommages d’un palier génèrent dans le signal temporeldes amplitudes périodiques en forme d’aiguilles à un stade précoce de leur détérioration.

Dans le domaine temporel, des valeurs caractéristiques de l’état sont typiquement créées comme la valeur efficace (RMS) ou la valeur crête (Peak).
Dans le domaine de la surveillance vibratoire, la valeur efficace de la vitesse de vibration (v-RMS) est par exemple utilisée pour un balourd, un désalignement ou un desserrage, et la valeur efficace de l’accélération de vibration (a-RMS), pour des frottements ou une lubrification insuffisante dans les réducteurs ou les paliers.
Une valeur caractéristique courante pour les valeurs crête est appelée la valeur crête de l’accélération de vibration (a-Peak), qui représente des événements transitoires dus par exemple à des dommages de palier ou à une panne soudaine de la machine.

Domaine fréquentiel

Lors de l’analyse dans le domaine fréquentiel, le signal temporel complexe superposé est décomposé en composantes de fréquence et d’amplitudes moyennant une transformée de Fourier (Fast-Fourier-Transformation, FFT). Cela permet de déceler rapidement et de manière précise les fréquences dominantes, par exemple la fréquence de balourd, parmi le signal temporel complexe.

Une forme particulière de la FFT est le spectre de l’enveloppe (= H-FFT). Dans ce cas, les impulsions de choc périodiques (par exemple d’un dommage de palier à roulement) qui excitent la fréquence propre du système sont démodulées et préfiltrées en conséquence. L’analyse de l’enveloppe H-FFT présente l’avantage, en particulier pour les paliers à roulement ou en cas de cinématique complexe de machine (par exemple réducteurs), de pouvoir identifier clairement les fréquences d’impulsions de choc récurrentes du composant déterioré.

Mesure à large bande

Dans le cas d’une mesure à large bande, toute la plage de fréquence d’un signal, avec toutes les composantes de fréquence, est acquise et analysée. Les mesures sont effectuées sur une vaste plage de fréquence (par exemple 2 à 1 000 Hz), et des valeurs caractéristiques d’état en sont déduites (par exemple valeur efficace de la vitesse de vibration (v-RMS), lesquelles sont transmises en temps réel et permettent une surveillance d’état.

Mesure à bande étroite

Dans le cas d’une mesure à bande étroite, l’acquisition se concentre sur une plage de fréquence étroite, ou sur certaines fréquences au sein de l’ensemble du spectre. Les mesures à bande étroite sont souvent utilisées lorsque l’intérêt se porte sur une composante de fréquence déterminée (par exemple les fréquences d’un palier à roulement) ou une plage de fréquence déterminée.

Déplacement de vibration d

Le déplacement de vibration est la course de déplacement réelle d’un point de mesure depuis sa position de repos ; elle permet donc de détecter les mouvements cycliques d’une application, par exemple le mouvement de convoyage ou l’état des amortisseurs d’un convoyeur oscillant. Typiquement, la course de vibration est acquise dans une plage de fréquence inférieure à 500 Hz.

Vitesse de vibration v

La vitesse de vibration, en particulier la valeur efficace, est un bon indicateur du degré d’énergie qui s’exerce sur une machine. Principalement, un balourd, des desserrages, des désalignements ou des problèmes de courroie peuvent engendrer une hausse de la v-RMS. Typiquement, ces applications se situent dans une plage de fréquence de 2 à 1 000 Hz (selon ISO 10816-3 ou ISO 20816-3).

Accélération de vibration a

Les valeurs caractéristiques haute fréquence à large bande comme la valeur a-Peak ou a-RMS sont des indicateurs éprouvés pour les dommages de palier, frictions, frottements ou encore de cavitation. Les pics d’accélération haute fréquence ne sont pas couvertes dans la plage de fréquence ISO 20816, en particulier à un stade précoce d’une détérioration. Ainsi, l'accélération de vibration est particulièrement utile comme indicateur précoce des impulsions de choc transitoires brèves résultant d'un début d'endommagement des roulements ou de défauts des dents d'engrenage.

Facteur de crête (Crest)

Une valeur caractéristique particulière de l’accélération de vibration est ce qu’on appelle le facteur de crête, que l’on définit comme le rapport entre la valeur crête et la valeur efficace :
Crest = a−Peak / a−RMS

Le facteur de crête est une valeur caractéristique éprouvée pour l’évaluation d’un dommage de palier. En particulier pendant les premières phases de dommages d’un roulement, les éléments roulants traversant périodiquement des piqûres provoquent de courts chocs vibratoires. Ces impulsions de choc entraînent une hausse de la valeur a-Peak. Dans cette phase, la valeur a-RMS reste néanmoins encore relativement faible. Au fur et à mesure que la détérioration progresse, la fréquence des piqûres augmente et l’amplitude des impulsions de choc s’accroît, entraînantégalement une hausse de la valeur a-RMS. C’est précisément dans cette phase initiale entre valeurs a-Peak élevées et a-RMS faibles que le facteur de crête est un indicateur supplémentaire utile pour identifier de manière précoce le dommage de palier étant donné que dans cette phase, le facteur de crête doit aussi être élevé et qu’il diminue progressivement au fur et à mesure que les valeurs a-RMS augmentent.

Mesure à axe unique vs. à plusieurs axes

Dans la plupart des applications, une mesure de vibration à axe unique est suffisante étant donné que la vibration principale se trouve dans le sens radial par rapport à l’arbre.
Une mesure à 3 axes peut toutefois apporter des avantages décisifs en termes de fonction, de flexibilité ainsi que de coûts.

Par exemple, la rigidité des machines peut avoir une intensité ou des caractéristiques différentes selon la cinématique et la conception, axialement, horizontalement ou verticalement. Une mesure à 3 axes donne de la flexibilité en termes de montage et capture les trois dimensions et donc les différentes excitations de manière ciblée.
De plus, certaines géométries de machine et certains types de défaut ont une influence significative sur le sens de la manifestation du dommage. Un désalignement de l’arbre peut par exemple être dominant en sens axial ou radial, ou encore un balourd / des chocs peuvent se manifester de manière plus forte dans différentes directions pour certaines géométries de machine.

La fréquence propre est une fréquence spécifique d’un système complet qui commence à engendrer des vibrations de grandes amplitudes dès l’apparition d’excitations même minimes. Quand la fréquence d’excitation, ou un multiple entier de celle-ci, est située à proximité de la fréquence propre du système, on parle de résonance.

Un système complet possède plusieurs fréquences propres, une résonance pouvant ainsi être générée plusieurs fois par excitation. Un système complet composé d’un moteur électrique et d’un capteur de vibrations, par exemple, possède également différentes fréquences propres ; le signal d’accélération du capteur pourra donc contenir la résonance du moteur, mais aussi sa résonance propre.
La fréquence propre du système est définie par sa masse et sa rigidité. L’amortissement d’un système détermine l’amplification de l’excitation pour une fréquence propre.