1.3-cours analyse vibratoire

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BTS Maintenance Industrielle

Stratgie de Maintenance

Analyse Vibratoire des Machines TournantesI. IntroductionToutes les machines en fonctionnement produisent des vibrations. Le principe de l'analyse des vibrations est bas sur l'ide que les structures de machines, excites par des efforts dynamiques, donnent des signaux vibratoires dont la frquence est identique celle des efforts qui les ont provoqus ; et la mesure globale prise en un point est la somme des rponses vibratoires de la structure aux diffrents efforts excitateurs. On peut donc, grce des capteurs placs en des points particuliers, enregistrer les vibrations transmises par la structure de la machine et, grce leur analyse, identifier l'origine des efforts auxquels elle est soumise. De plus, si l'on possde la signature vibratoire de la machine lorsqu'elle tait neuve, ou rpute en bon tat de fonctionnement, on pourra, par comparaison, apprcier l'volution de son tat ou dceler l'apparition d'efforts dynamiques nouveaux conscutifs une dgradation en cours de dveloppement. La dtrioration du fonctionnement se traduit par une modification de rpartition de l'nergie

vibratoire conduisant le plus souvent un accroissement du niveau des vibrations. En observantl'volution de ce niveau, il est par consquent possible d'obtenir des informations trs utiles sur l'tat de la machine. Autrefois pour surveiller les machines les mcaniciens posaient leur tournevis sur un moteur pour en couter les mouvements internes, mais ces techniques sensitives se sont aujourd'hui modernises grce l'apparition de matriels nouveaux, au point de faire de l'tude des vibrations, un des outils les plus utiles la maintenance moderne.

II. Reprsentation du signal vibratoireII.1.

Nature des vibrations

Les vibrations mcaniques sont des mouvements oscillant autour d'une position moyenne d'quilibre. Ces mouvements oscillants caractristiques de l'effort qui les gnre, peuvent tre, soit priodiques, soit apriodiques (transitoires ou alatoires) selon qu'ils se rptent ou non, identiquement eux-mmes aprs une dure dtermine. Les vibrations peuvent tre de 3 types : Elles peuvent correspondre un mouvement sinusodal pur comme celui d'un diapason ou, plus gnralement, un mouvement complexe priodique que l'on peut dcomposer en une somme de mouvements sinusodaux lmentaires, plus faciles analyser. Ex : - Dsquilibre dune roue de voiture , Vibration dune cloche aprs un choc.Les mouvements sinusodaux lmentaires sont appels composantes harmoniques et leurs frquences sont des multiples entiers de la frquence du mouvement tudi qui est appele fondamentale ou frquence de l'harmonique d'ordre 1.

Les vibrations priodiques :

Lyce B. FOURNEYRON

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Les vibrations transitoires :

Elles sont gnres par des forces discontinues (chocs). Elles peuvent prsenter ou non un aspect oscillatoire revenant une position d'quilibre aprs amortissement. Lorsqu'il existe des oscillations, comme pour une structure qui vibre aprs un choc et pour laquelle le coefficient d'amortissement est faible, on dit qu'il y a un amortissement sub-critique, et le mouvement est pseudo-priodique. Si l'amortissement est trs important, la structure revient sa position d'quilibre sans oscillation, on dit alors que l'amortissement est sur-critique et le mouvement est apriodique. Ex : Vibration provoque par un marteau pilon.

Ces deux types de mouvements transitoires peuvent tre dcrits par des fonctions mathmatiques. Les vibrations alatoires : Exemple : vibrations gnres par le phnomne de cavitation sur une pompe

Ces vibrations caractristiques sont donc toutes identifiables et mesurables. La tendance l'accroissement de leur intensit est reprsentative de l'volution de l'effort qui les gnre et rvlatrice du dfaut qui se dveloppe. 2.2. Caractres physiques de l'onde sonore :Une vibration correspond des variations priodiques d'un milieu matriel (gazeux, liquide ou solide) qui se transmettent de proche en proche. On parle souvent de son lorsque la vibration a lieu dans lair alors que dans un milieu solide, on parle simplement de vibration. Une onde sonore a certains caractres physiques dont les plus importants sont repris ci-dessous.

Frquence f du signal : (en Hz ) 1 hertz = 1 cycle / seconde Il sagit du nombre de cycle par seconde. T : ( en s ) est l'inverse de la frquence. d'une oscillation lmentaire du dans lequel le son se propage.

Priode La priode C'est la dure milieu matriel

t T

T=2.3. Reprsentation temporelle du signal :

La reprsentation la plus simple et la plus immdiate dun signal vibratoire se fait en fonction du temps. Cest le domaine temporel.

Amplitude

Temps

Limites du domaine temporel :Lyce B. FOURNEYRON Page 2 / 11 La MPC-Analyse Vibratoire

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Lanalyse dun signal vibratoire en fonction du temps ne suffit pas. Il est souvent intressant de connatre les diffrentes frquences du signal. Pour des raisons de facilit danalyse et de calcul, on se rfre un signal de forme sinusodale que lon gnralise ensuite nimporte quelle forme de vibration.

2.4. Reprsentation spectrale (ou frquentielle)Le spectre est le concept fondamental de l'analyse en frquence. C'est la reprsentation d'un signal dont l'amplitude ne serait plus donne en fonction du temps mais en fonction de sa frquence.

a) Caractristiques dune sinusode (Rappels):La forme la plus simple d'un signal vibratoire est un signal priodique que l'on reprsente sous la forme d'un mouvement sinusodal. Le mouvement sinusodal peut tre reprsent par la projection sur un axe vertical d'un vecteur tournant A ayant une pulsation (vitesse angulaire) constante (rad / s). La rotation de ce vecteur provoque une variation de sa projection x, dont l'quation est :x ( )= t A s i n

A

x(t) /2

A t 0

(. t

)

x( t )

Priode

1 Frquence : f = =

T 2

Priode : T =

2

Dans la ralit, les signaux vibratoires sont rarement des sinusodes pures.

b) Spectre dune sinusode :Connaissant lamplitude (A) et la frquence (f) dun signal sinusodal, on peut le reprsenter simplement sur un graphique avec la frquence en abscisse et lamplitude en ordonne.Amplitude A Amplitude

A t 0 /2 Frquence du signal: f = 1 / T f

Priode T

Cependant, cette reprsentation ne montre son intrt que lorsque le signal a une forme plus complexe que la sinusode.

2.5. Dcomposition dun signal :Quelle que soit la forme dun signal S (t), on peut le dcomposer sous forme dune somme de sinusodes de diffrentes amplitudes, de diffrentes frquences.Lyce B. FOURNEYRON Page 3 / 11 La MPC-Analyse Vibratoire

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S (t) = A1 sin( 1 t + ) + A 2 sin( 2 t +2) +... +A n sin( n t +n ) 1

Cette dcomposition est ralise grce une fonction mathmatique appele transforme de Fourier. Les ordinateurs utilisent un algorithme qui permet de raliser rapidement cette transformation sur des donnes numriques, cest la Fast Fourier Transformation (FFT). Dans lexemple ci-dessous, le signal temporel est la somme de 3 sinusodes. Le spectre est donc constitu de 3 pics dont les frquences sont celles des 3 sinus.200 100 00 1 2 3 4 5 6 7 8

-100 -200

Daprs la transforme de Fourier, le signal est la somme des trois sinusodes dont les quations sont :

Ex : S (t) =100 sin(1000 t) + 50 sin(2000 t + 0,0003) + 30 sin(4000 t - 0,0006)Sinusode 1 2 3100 80 60 40 20 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

Amplitude Ai 100 50 30

Pulsation i (rad/s) 1000 2000 4000

Frquence (en Hz) 159 318 637

Dphasage (en ms) 0 + 0,3 - 0,6

La reprsentation spectrale de ce signal sera :

Les sons ou vibrations tant perus de manire logarithmique par loreille, le spectre est gnralement reprsent en chelle logarithmique, tant pour les frquences que pour les amplitudes.100

10

1 100 1 000 10 000

Lorsquun signal est compos par la somme dun grand nombre de sinusodes de frquences et damplitudes diffrentes, le spectre ne se prsente plus sous un ensemble de raies mais par une Toutes les composantes du signal courbe continue. Cest gnralement le cas.vibratoire sont reprsentes sous forme de pics . Lanalyse de la signature dune vibration doit permettre dattribuer chaque vibration

Lyce B. FOURNEYRON

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La den suivre lvolution. une source etMPC-Analyse Vibratoire

BTS Maintenance Industrielle1000 100 10 1 100 1 000 10 000 100 000

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2.6. Particularits sur les spectres :Labscisse dun spectre indique une frquence. Lorsquune frquence est basse, elle est perue comme grave, par contre, haute frquence, elle est perue comme aigu. Souvent, les frquences sonores sont classes en trois bandes. Bande de frquences Basses frquences (BF) Moyennes frquences (MF) Hautes frquences (HF) Frquence minimale 20 Hz 200 Hz 2000 Hz Frquence maximale 200 Hz 2000 Hz 20 000 Hz

En voyant le spectre, il est possible de dire si un signal est de basse frquence (grave) ou de haute frquence (aigu). Signal BF Signal MF Signal HF

2.7. Frquence fondamentale et harmoniques :Toute pice a une frquence fondamentale. Cest la frquence laquelle elle vibre le plus fort lorsquelle est frappe ou frotte. La frquence fondamentale est dtermine par les dimensions de la pice : grande pice, frquence fondamentale grave; petite pice, frquence fondamentale aigu. La frquence fondamentale dune machine tournante est la frquence de rotation. Mais en gnral, une pice ne vibre pas une seule frquence. Il existe des frquences de vibratio

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