Chapitre 3
1
Analyse vibratoire
Introduction
2
L’analyse vibratoire est un des moyens utilisés pour
suivre la santé des machines tournantes en
fonctionnement. Cela s’inscrit dans le cadre d’une
politique de maintenance prévisionnelle de l’outil de
production industrielle.
Les objectifs d’une telle démarche sont de :
 réduire le nombre d’arrêts sur casse ;
 fiabiliser l’outil de production ;
 augmenter son taux de disponibilité ;
 mieux gérer le stock de pièces détachées, etc.
Introduction
3
À partir des vibrations régulièrement recueillies sur
une machine tournante, l’analyse vibratoire consiste à
détecter d’éventuels dysfonctionnements et à suivre
leur évolution dans le but de planifier ou reporter une
intervention mécanique.
Les sources de vibrations
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Il existe un nombre très important de sources d’excitation
pouvant engendrer des vibrations, parmi eux :
 Le balourd
 Le délignage
 Le frottement, les fissurations, le desserrage et les jeux
 Les défauts de courroies
 Les défauts de denture d’engrenages
 Les roulements
 Les défauts électriques
 ….
Le balourd
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Le balourd est la source la plus classique sur les
systèmes tournants. Il est dû à un défaut d’équilibrage,
le centre d’inertie de chaque section de la pièce
tournante n’est pas confondu avec l’axe de rotation.
Le balourd
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Le déséquilibre représente non seulement la source de vibrations la
plus courante dans les machines tournantes, mais aussi celle qui est
potentiellement la plus destructrice. Il constitue donc le défaut à
corriger avant tout autre.
Un rotor équilibré ne vibre pas. Un rotor déséquilibré vibre. Cette
différence de condition s'explique essentiellement par l'absence ou la
présence de forces centrifuges non compensées agissant sur le rotor.
Force de centrifuge: Une pièce en rotation, quelle qu'elle soit,
génère une force qui tend à la pousser dans une direction radiale
éloignée de son axe de rotation. Cette force est appelée "force
centrifuge"
Le balourd
7
Un rotor parfaitement équilibré, c'est-à-dire un rotor dont la masse est
également répartie autour de son axe de rotation, ne vibre pas. Ce
phénomène s'explique par le fait que toutes les forces centrifuges sont
compensées.
un rotor équilibré où, pour toute
particule de masse m, située à une
distance quelconque de l'axe de
rotation,
il
existe
une
autre
particule m*, de masse égale à m, mais
localisée
dans
une
position
diamétralement opposée à celle-ci.
Le balourd
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Un rotor "déséquilibré" présente une masse m localisée sur un côté du
rotor. Contrairement au rotor équilibré, la force centrifuge F exercée
par la "partie lourde" du rotor n'est pas compensée par une force
équivalente de direction opposée.
Le balourd
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Le déséquilibre, comme il est défini par la norme
international Iso 1925 "Vibrations mécaniques - Équilibrage Vocabulaire", est l'état dans lequel se trouve un rotor quand,
à la suite de forces centrifuges, une force ou un mouvement
vibratoire est communiqué à ses paliers. Le balourd est un
autre terme couramment employé comme synonyme de
déséquilibre.
Le balourd
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 Les causes du balourd:
Toute pièce présente un balourd plus ou moins important, dont
les principales causes sont :
 Défauts de conception : Tolérance trop large sur la cotation des
pièces (excentricité, jeu, etc…), Asymétrie de rotation (vilebrequin,
mandrin, etc …).
 Défauts de fabrication : Mauvaise homogénéité des matériaux
utilisés (masse par dépôt
Influences thermiques.
,encrassement,
corrosion,
etc…),
Le balourd
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 Défauts de montage : Asymétrie du montage des pièces (montage par
clavette,…), Pièces mal fixées ou montées avec jeu.
 Défauts de service : usure due à un enlèvement de matière (meule).
Modification de la masse par dépôt (encrassement, corrosion, etc…),
Influences thermiques.
Défaut de montage
Défaut d’usinage
Encrassement d’un ventilateur
Le balourd
 Calcul
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La mesure quantitative du balourd d'un rotor est obtenue en
faisant le produit de la masse de déséquilibre m par la
distance r qui la sépare de l'axe de l’arbre. La valeur ainsi calculée
est appelée valeur du balourd U où U=mr. Les unités de
valeur du balourd sont les grammes millimètres (g · mm).
Le balourd
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 Types:
Balourd statique:
Un balourd statique est une mauvaise répartition de la masse d’un
rotor par rapport à son axe de rotation. On le dit «statique» car laissé
libre de ses mouvements, le rotor tournera pour rejoindre de luimême sa position d’équilibre.
L’axe principal d’inertie (∆) est uniquement déplacé parallèlement
par rapport à l’axe de rotation de l’arbre.
Le balourd
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Si le disque tourne à une vitesse ω, la force centrifuge F(N) due à la
rotation de la masse de déséquilibre m est F = mrω2.
Cette force équivaut à la force produite par le déplacement e du centre de
gravité du disque par rapport à l'axe de rotation Δ.
F=Meω2 avec M la masse du cylindre. Ce qui donne e=mr/M,
comme U=mr, on obtient finalement l'expression e = U/M .
Avec e le déplacement du centre de gravité qui représente aussi le
balourd spécifique, exprimé (g · mm/kg ou µm).
Le balourd
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Balourd de couple:
Le centre de gravité est bien sur l’axe de rotation : l’équilibre statique est
réalisé, mais les deux axes ne coïncident pas. L’axe central (principale)
d’inertie (∆) coupe l’axe de rotation de l’arbre au centre de gravité.
Le balourd
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Le rotor possède un balourd causé par deux masses m1 et m2 de valeur
égale, placées de façon symétrique par rapport au centre de gravité,
mais dans des positions diamétralement opposées l'une de l'autre.
Le déséquilibre de couple génère de fortes vibrations sur les deux plans
où les forces sont exercées. On ne peut corriger ce type de déséquilibre
qu'en faisant des mesures pendant que le rotor tourne et en apportant
les corrections dans les deux plans.
Le balourd
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balourd dynamique:
Le Balourd dynamique est la condition dans laquelle se trouve un rotor
dont l'axe principal d'inertie n'est ni parallèle ni ne coupe l'axe de
l'arbre Δ. C'est le type de déséquilibre le plus courant dans les rotors.
Pour corriger le déséquilibre dynamique, il faut mesurer les vibrations
pendant que le rotor tourne, puis compenser le balourd dans les deux
plans.
Le balourd
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Mesure
Sous l’effet du balourd, le palier aura un mouvement autour de sa
position d’équilibre (Machine à l’arrêt). Ce mouvement est la vibration du
palier généré par le balourd. Il est périodique et sinusoïdal, à la période
d’un tour, ou la fréquence de rotation f0.
Le balourd
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La mesure de l'amplitude vibratoire, proportionnelle à la force produite par
le balourd, requiert l'emploi d'un accéléromètre monté sur le palier du
roulement (piézo-électriques). La mesure de la phase, essentielle pour
localiser la "partie lourde" dans le rotor à équilibrer, requiert l'emploi d'un
capteur tachymétrique (top tour).
Le capteur tachymétrique (top tour)
monté à une distance appropriée de
la surface du rotor, peut aussi bien
être une sonde photo-électrique ou
une lumière stroboscopique.
Le balourd
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Le passage de la bande réfléchissante déclenche la sonde photoélectrique une fois par tour et une impulsion est envoyée à l'analyseur
de vibrations.
On obtient alors les deux résultats de mesure suivants : l'angle de phase
du signal vibratoire par rapport à l'impulsion du capteur tachymétrique,
et la vibration causée par le balourd, aussi appelée "amplitude initiale
Le balourd
21
La mesure de la phase de la vibration générée par le balourd, par rapport à un
top tour (tachymétrique), donne une information de repérage de position de
la masse de déséquilibre.
Le balourd
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Equilibrage:
Equilibrage sur machine à équilibrer :
L’équilibrage est pratiqué en cas de rupture ou la détérioration d'une
partie du rotor qui conduit a un balourd, dans ce cas, il faut d'abord le
remettre en état avant de l'équilibrer, en le démontant.
De plus si le balourd a créé des vibrations très importantes, il y a des
risques que les roulements ou la structure aient été endommagés.
Le balourd
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Equilibrage sur site:
L'équilibrage d'un rotor tournant sur ses propres paliers, sans être
démonté, est appelé équilibrage sur site. Il s'agit de la méthode
d'équilibrage la plus pratiquée en maintenance. L'équilibrage des
rotors "sur le terrain" offre de nombreux avantages par rapport à
l'équilibrage "en atelier" :
• le rotor est équilibré dans des conditions de fonctionnement
normales (charge, température, vitesse, etc.).
• le démontage, le réassemblage et le réalignement ne sont pas
nécessaires.
• les temps d'arrêt sont considérablement réduits.
Le balourd
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Pour réaliser l'équilibrage les donnés nécessaires proviennent des mesures de
vibrations des paliers causées par le déséquilibre du rotor. Les valeurs recueillis
servent à calculer la masse de correction requise pour réduire le déséquilibre et
les vibrations qui en résultent.
Les mesures sont effectuées au moyen d'un appareillage portatif incluant au
minimum un analyseur de vibrations, un accéléromètre, une sonde photoélectrique et un programme d'équilibrage.
Le balourd
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Equilibrage en un plan
C’est le type d’équilibrage qu’il faut réaliser lorsque l’on a un
rotor de type disque
L
 0,5   1000
D
http://www.dbvib.com/pdf/dBVib-Equilibrage-des-rotors.pdf
Le balourd
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Equilibrage en 2 plan
L’équilibrage en 2 plan est nécessaire quand la pièce cumule le
balourd statique avec le balourd couple.
L’équilibre se fait par ajout ou enlèvement de matière à chaque
extrémité de la pièce (du rotor), c’est-à-dire sur 2 plans.
L’espacement entre les 2 plans est tel que le balourd dynamique est
important.
Méthode : perçage, meulage, soudage, pâte d’équilibrage…
Le balourd
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Qualité d'équilibrage - norme Iso 1940/1-1986
La norme internationale Iso 1940, "Vibrations mécaniques - Exigences en
matière de qualité dans l'équilibrage des rotors rigides", donne des
recommandations pour la détermination d'un balourd résiduel admissible et
pour la spécification de degrés de la qualité d'équilibrage des rotors en fonction
de leur type, de leur masse et de la vitesse de fonctionnement maximale.
Balourd résiduel admissible:
On appelle balourd résiduel admissible (Uadm) la valeur maximale du
balourd sous laquelle le balourd résiduel est considéré comme acceptable.
Plus la masse du rotor est importante, plus le balourd résiduel admissible
est grand.
Il existe un rapport entre le balourd résiduel admissible et la masse du
rotor
M
en
termes
de
balourd
spécifique
résiduel
admissible (eadm) donné par l'équation eadm = Uadm/M. Le terme plus
simple "balourd spécifique
Le balourd
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Degré de qualité d'équilibrage
La valeur du balourd spécifique (eadm), varie inversement à la vitesse du
rotor pour un degré de qualité d'équilibrage donné, selon la
relation eadm × ω = degré de qualité, exprimé en millimètres par
seconde.
Les degrés de qualité proposés par la norme Iso 1940 sont désignés en
fonction du produit de cette relation, c'est-à-dire si le produit (eadm × ω)
est égal à 630 mm/s, le degré de qualité d'équilibrage est
désigné G630.
Le balourd
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Le balourd
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Détermination du balourd résiduel admissible
Le balourd spécifique (eadm) pour différents de rotors peut être
déterminé à l'aide de l'abaque Iso. Les obliques de l'abaque
représentent les degrés de qualité d'équilibrage.
La vitesse de rotation maximale du rotor, exprimée en Hz et en
tr/min, se retrouve en abscisse. Le balourd résiduel spécifique
admissible (g · mm/kg) figure en ordonnée. Le balourd résiduel
admissible est alors obtenu par le produit du balourd spécifique
et de la masse du rotor, soit Uadm = eadm M.
Qualité d’équilibrage
Le balourd
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Exemple: un rotor de ventilateur dont la vitesse maximale est
de 50 Hz (3 000 tr/min). Un degré de qualité d'équilibrage de 6,3 est
recommandé. La masse du rotor est de 50 kg.
1. Tracer une ligne verticale à partir de la vitesse de fonctionnement
maximale du rotor jusqu'à la ligne oblique indiquant le degré du
rotor.
2. Tracer une ligne horizontale à partir de l'intersection de la verticale
et de l'oblique.
3. Lire le balourd résiduel spécifique admissible sur l'axe vertical ;
dans cet exemple, eadm = 20 g · mm/kg ou bien (20µm).
4. Calculer ensuite le balourd résiduel à partir du balourd spécifique
obtenu et de la masse du rotor ;
Uadm = 20 g · mm/kg × 50 kg = 1 000 g · mm.
Pour répondre au degré de qualité d'équilibrage G6,3, le balourd
résiduel sur le rotor ne doit pas dépasser 1000 g·mm après
équilibrage.
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Désalignement
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Le défaut d'alignement est l'une des principales causes de réduction de la durée
de vie des équipements. Il concerne soit deux arbres liés par un accouplement,
soit deux paliers soutenant le même axe.
L’arbre moteur et l’arbre récepteur ne sont pas parfaitement alignés. Ce défaut
va engendrer des efforts alternés et ainsi des excitations suivant différentes
directions. Les excitations seront différentes suivant les 2 directions radiales,
mais vont aussi apparaître suivant la direction axiale.
Désalignement
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Qu'est-ce que l'alignement d'arbres ?
L'alignement d'arbre est l'opération par laquelle deux machines
ou plus (par exemple un moteur et une pompe) sont
positionnées de telle sorte qu'au niveau du point de transfert des
forces d'un arbre à un autre, les axes de rotation des deux arbres
soient colinéaires quand la machine fonctionne dans des
conditions normales.
Désalignement
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Presque 50% des problèmes sur les machines rotatives
viennent du mauvais alignement
Définition:
Le défaut d'alignement est l’écart de position relative de
l’arbre par rapport à l’axe colinéaire de rotation lorsque la
machine tourne dans des conditions normales de
fonctionnement
Désalignement
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Symptômes d'un défaut d'alignement
Ce n'est pas toujours facile de détecter un défaut d'alignement sur des
machines en cours de fonctionnement :
Boulons de fondation desserrés ou cassés
Cales de blocage ou goupilles cylindriques lâches
Fuite d'huile excessive au niveau des bagues de palier
Boulons d'accouplement desserrés ou cassés
Certains éléments d'accouplement flexibles s'échauffent en cas de
défaut d'alignement.
Quantité excessive de graisse ou d'huile à l'intérieur des protections
d'accouplement
Les arbres cassent ou se fissurent au niveau ou à proximité des paliers
ou des moyeux d'accouplement
Désalignement
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Méthodes et pratique d'alignement:
Il existe un certain nombre de méthodes différentes
permettant d'obtenir un alignement acceptable des
machines tournantes. Elles vont de la règle peu coûteuse
(réglet) aux systèmes laser plus sophistiqués et
inévitablement plus onéreux. Nous pouvons résumer ces
méthodes en trois catégories de base :
À vue – règle et jauges d'épaisseurs
Comparateurs – jauges de déplacement mécaniques
Systèmes d'alignement optiques laser
Désalignement
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Afin d’éviter ces différentes inconvénients parfois très
graves, il est impératif de réaliser un assemblage correct du
moteur et du récepteur en alignant les axes des arbres.
Une opération de lignage se découpe en 4 phases:
Désalignement
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1 ère phase:
Défaut de parallélisme dans le plan vertical
Remède : Correction du défaut de parallélisme vertical par des
cales en X (fixation avant) Il subsiste un défaut de concentricité
dans le plan vertical
Désalignement
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2ème phase:
Défaut de concentricité dans le plan vertical.
Remède : Correction du défaut de concentricité verticale par des
cales de même épaisseur en X et Y (fixation AV et AR)
Désalignement
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3ème phase:
Défaut de parallélisme dans le plan horizontal
Remède: Correction du défaut de parallélisme horizontal par
déplacement de l’un des éléments sur le bâti
Désalignement
43
4ème phase:
Défaut de concentricité dans le plan horizontal.
Remède : Correction du défaut de concentricité horizontale
par déplacement éléments sur le bâti.
Désalignement
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Désalignement des paliers
Les axes des deux paliers d'un même corps de machine ne sont pas
concentriques. Cette anomalie peut être la conséquence d'un défaut
de montage d'un palier, mais également d'un mauvais calage des
pattes de fixation ou d'une déformation de châssis (par exemple à la
suite de contraintes thermiques), qui se traduit par une flexion de
l'arbre du rotor.
Défauts de serrage
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Le mauvais serrage de la structure de la machine génère des vibrations
et un certain bruit. Les causes d’un jeu sont principalement l’usure ou
un mauvais montage. Comme exemples de jeu, on peut entre autre
citer : accouplement dont le caoutchouc est usé, paliers montés avec
un jeu excessif, ou boulons cassés (plus de jonction mécanique).
Défauts de transmission par courroies
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Le mauvais état d'une courroie en « V » (variation de largeur,
déformation, partie arrachée) crée des variations de tension
susceptibles d'induire des vibrations de fréquence égale à celle de la
rotation de la courroie. fC définit par :
Les défauts d’engrenages
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Dans le phénomène d'engrènement, il se produit un choc
chaque fois qu'une dent menante est en contact avec une dent
menée. Ceci génère une vibration dont la fréquence est égale à la
vitesse de rotation du pignon multipliée par son nombre de
dents.
Les défauts de roulements
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Les roulements sont parmi les composants les plus sollicités des
machines et représente une source de panne fréquente. Les défauts
que l'on peut y rencontrer sont : écaillage, grippage, corrosion (qui
entraîne l'écaillage), etc. Dans la plupart des cas, la dégradation se
traduit par un écaillage d'une des pistes ou d'un élément roulant du
roulement, produisant un choc à chaque passage. Les roulements
défectueux génèrent des vibrations de fréquences égales aux vitesses
de rotation de chaque pièce du roulement.
Écaillage
Grippage
Phénomènes créant des pics à des fréquences non liées
à celle du rotor
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Vibrations de machines voisines
Le sol et les socles de fixation peuvent transmettre les vibrations d'une
machine à l'autre. Si l'on arrête la machine voisine mise en cause, le
pic spectral disparaît.
Vibrations d'origine électrique
Les vibrations des parties métalliques du stator et du rotor sous
l'excitation de champs électromagnétiques produisent des pics à des
fréquences égales à celle du secteur.
L'augmentation de ces pics peut être le signe de la dégradation du
moteur (par exemple variation de l'entrefer). Ces pics disparaissent
bien évidemment avec la coupure du courant.