Comprendre la vibrationde moteur par l’analyse FFT

Page1. Introduction ....................................................................................... 22. Spectre de vibration d’un ventilateur entraîné par courroie ............... 43. Le suivi de tendance pour la maintenance conditionnelle .................. 64. Stratégie de maintenance conditionnelle Niveau 1/Niveau 2 .............. 85. Niveaux vibratoire suivant ISO/DIS .............................................. 106. Composants moteurs les plus vulnérables .................................. 127. Déséquilibre et désalignement ......................................................... 148. Défauts stationnaires, asymétrie du champs ............................... 169. Défaut tournant ......................................................................... 18

10. Diagnostic pratique: défaut d’équilibrage ........................................ 2011. Diagnostic pratique: défaut d'alignement .................................. 2212. Diagnostic pratique: excentricité statique ................................... 2413. Diagnostic pratique: jeu dans la poulie ....................................... 2614. Paramètres d’évaluation de roulement ....................................... 2815. Normalisation de mesure d’onde de choc ................................... 3016. Diagnostic de l’endommagement d’un roulement ...................... 3217. Diagnostic pratique: dommage de bague interne ....................... 34

Contents

1. Introduction

Ces dernières années, la surveillance et lediagnostic vibratoire sont de plus en plusutilisés pour déterminer l’état de machines.Même les machines de taille moyennes etpetites sont aujourd’hui inclues dans la straté-gie de maintenance conditionnelle. Une desraisons de ceci est la baise sensible du coûtdes équipements actuels de mesure des vibra-tions.Par ailleurs, l’intérêt des électriciens pourl’analyse vibratoire a également connu undéveloppement substantiel ces dernières an-nées parce que les utilisateurs de machinestournantes souhaitent d’une part une signa-ture d’analyse vibratoire de leurs machines etd’autre part un suivi périodique de leursmachines. Cette dernière a créé une nouvelleactivité pour les sociétés de service en assu-rant la maintenance conditionelle auprès desentreprises qui ne souhaitent pas la réaliser

eux mêmes. D’autre part le diagnostic vibra-toire est un instrument fantastique pour lalocalisation des défauts et les causes de dom-mages des machines. Elle peut égalementêtre utilisée comme défense objective pourdémontrer p.ex. l’utilisation abusive lors dedommages de machines pendant la durée degarantie.

EDITION Mars 1998Nr. de Cde. VIB 9.619F

Le contenu a été publié à l’origine comme présentation parM. Luft, PRUFTECHNIK AG.© Copyright 1998 PRUFTECHNIK AG. Tous droits réservés.

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Examinons un exemple pratique simple pourillustrer les possibilités de l’analyse vibratoire :des mesures importantes furent mesurées surun ventilateur a entraînement par courroie. Leniveau vibratoire était important côté pouliemoteur et côté poulie du ventilateur, l’analysespectrale montra clairement un balourd à lafréquence de rotation de l’arbre ventilateursoit 13,67 Hz. Après équilibrage de la pouliecôté ventilateur, la vibration diminua à 2,3mm/s côté ventilateur et 3,2 mm/s côté mo-teur.

Ceci est un cas typique pour la maintenanceconditionnelle. Les instruments de niveau 1,peuvent très bien diagnostiquer l’apparitiond’un défaut sur une machine (dans ce cas unevibration excessive), l’analyse vibratoire ensui-te permet de connaître la ou les raisons decette vibration excessive (dans ce cas unbalourd à la fréquence de rotation de l’arbreventilateur 13,67 Hz).

2. Spectre de vibration d’un ventilateur entraîné par courroie

5

Spectre de vibration d’un ventilateurentraîné par courroie

1. Mesure globalede la sévérité des vibrationsen vertical sur les paliers

15,2 mm/s

11,3 mm/s

Mesure sur palier ventilateur coté poulie,en radial vertical

Fvert

= 13,67 Hz

Fvert

= 13,67 Hz

2. Spectre FFT sur les paliers

Ventilateur d'extraction (P = 37 kW)

Moteur: 1475 tr/min = 24,58 Hz Ventilateur: 820 tr/min = 13,67 HzMesure sur palier moteur coté poulie,en radial vertical

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3. Le suivi de tendance pourla maintenance conditionnelle

Une approche économique mais efficace de lamaintenance conditionnelle peut être faitepar le suivi de tendance. Les mesures detendance sont faites et enregistrées à interval-les réguliers et elles sont comparées à desniveaux d’alerte et d’alarme. Lorsque les ni-veaux d’alerte et d’alarme sont dépassés, uneintervention est planifiée ou au besoin, uneanalyse vibratoire plus approfondie est réali-sée pour déterminer la cause du problème.Examinons ensemble les techniques de mesu-re et d’analyse de vibration particulières auxmoteurs électriques.

7

Mise en place

nÿ Suivi des tendances ON-LINE et OFF-LINE, Niveau 1

nÿ Mesure d'un spectre de référence (Etat de fonctionnement de la machine correct)

nÿ Mesure automatique des spectres dès le dépassement d'alarme

nÿ Analyse spectrale manuelle approfondie

Le suivi de tendance pour lamaintenance conditionnelle

Spectre OFF-LINE Spectre Analyse spectrale approfondie OFF-LINE

Alarme

Pré-Alarme

Amplitudevibratoire

Temps

Spectre

8

Pour réaliser une bonne maintenance condi-tionnelle, il faut mesurer à intervalles réguliersles niveaux globaux de vibration suivant cer-taines spécifications. L’augmentation du ni-veau vibratoire est un signe de détériorationde la machine. Ce type de mesure globale estconsidéré comme de niveau 1 comme indiquéci-contre. Il permet la surveillance d’un parcmachines élevé sans investissement importanten matériel et en personnel.

Les mesures de niveau 1 ne sont pas toujourssuffisantes pour une localisation des défauts.Dans ce cas l’analyse spectrale permet dedéterminer les fréquences caractéristiques (ni-veau 2) et de diagnostiquer dans la plupartdes cas l’origine des problèmes. Le diagnosticde niveau 2 nécessite une mesure avec unanalyseur de vibration FFT et d’un personnelqualifié ayant une expérience dans l’interpré-

4. Stratégie de maintenance conditionnelle Niveau 1/Niveau 2

tation des spectres de vibration mais aussi uneexpérience des machines (mécanique, électri-ques, ..).

9

Niveau 2: Analyse des vibrations et diagnosticsaprès dépassements des seuils- Machines ciblées et mesures ponctuelles- Mesures uniques et fonctions de la machine- Intervention d'un spécialiste

Surveillance des machinesSévérité de vibrationEtat des roulementsCondition de fonctionnement des roulements

Unitésv

eff: Vitesse de vibration suivant ISO 2372/VDI 2056

smax: Déplacement suivant ISO 7919/VDI 2059aRMS, a0-P: AccélerationdBm, dBc: Onde de chocs dégagées par les paliers à roulementsT: Temperaturen: Vitesse de rotationdB

cav: Cavitation

Déceler les défauts mécaniquesBalourds, défauts d'alignement d'arbres, usuresdes engrenages, turbulences, défauts électriques,état des éléments de roulement

Signaux et outils utilisésSpectres,Enveloppe,Signal temps,Diagramme de Bode,Cepstre,Cinématique des machines...

Stratégie Niveau 1 / Niveau 2

Niveau 1: Unités mesurées - Surveillance destendances par rapports aux seuils- Parc machines surveillé très importants- Mesures rapides sur un temps très long (= MTBF)- Personel sans qualification particulière

veff

enmm/s

temps

10

8

6

4

2

0

10

8

6

4

2

00 500 1000 1500

a

enmm/s²

10

Actuellement, les standards internationauxsont en pleine mutation. La valeur effective(RMS) de vitesse de vibration entre 10Hz et1000 Hz est néanmoins toujours utilisées etacceptée pour déterminer la condition demoteurs électriques. Le niveau vibratoire me-suré est comparé à des niveaux de sévéritéfixes. La condition de la machine est diviséeen quatre catégories: ’bon’, ‘satisfaisant’ ,‘acceptable’ et ‘inacceptable’. Le diagrammeci-contre montre la norme actuellement valideISO 2372 qui reprend 4 types de machines. Cestandard sera bientôt remplacée par la nou-velle norme ISO 10816², actuellement enphase d’approbation.

5. Niveaux vibratoire suivant ISO/DIS

Pour les gros moteurs à paliers lisses (au-dessus de 1000kW), la simple mesure devibration est insuffisante. La mesure réaliséesur le corps de machine est tellement amortiequelle ne représente plus l’état de balourd durotor. Dans ce cas des mesures particulièressur les paliers sont prises par des capteursspéciaux²,³.

1ISO 2372Vibration mécanique de machines à vitesse de fonc-tionnement comprise entre 10 et 200 tr/sec. Basepour les standards d’évaluation 11/1974 avec amen-dement 07/1983.2DIN ISO 10816 -3Evaluation de vibration mécanique de machines parmesure sur des parties non rotatives; Part 1: directionsgénérales.3ISO 3945Vibrations mécaniques de grandes machines pour desvitesses de 10 à 200 tr/min. Mesures et évaluations devibrations sur site 12/1985.

11

4

4

Niveau vibratoire suivant ISO/DIS

Velo

cité de vib

ration

RM

S

ISO 2372ISO/DIS 10816-3

15 kW - 300 kW 300 kW - 50 MW

rigide elast. rigide elast. S M L T

45

28

18

11

7

4.5

2.8

1.8

1.1

0.7

0.45

0.28

mm/s

inacceptable

acceptable

satisfaisant

bon

Endommagementsen progression

� réduit

� sans restriction

Durée de fonc-tionnement

installation récente

12

Cette illustration présente les composants demoteur qui sont vulnérables aux dommages.Certains types de dommages engendrent desspectres de vibration spécifiques que nousallons décrire en détail.

6. Composants moteur les plus vulnérables

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Composants moteurs les plus vulnérables

Défaut roulement

Défaut tournant (rotor) Défaut stationnaire (stator)

Défaut d'accouplement

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Une masse de rotor mal équilibrée s’appelleun balourd. Lorsqu’une masse mal équilibréeest mise en rotation, il en résulte une forcecentrifuge qui accentue la charge sur lesroulements et une vibration du rotor à lafréquence exacte de rotation. Ceci est lacaractéristique spécifique d’une machine maléquilibrée, on constate une pointe élevée enamplitude à la fréquence de rotation. Lacorrection de ce problème se fait par unéquilibrage sur site ou après démontage etentretien en atelier. La référence #3 indiqueun balourd résiduel acceptable pour un rotorrigide.

Le mauvais alignement d’arbre de machinesaccouplées directement se traduit par unevibration élevée à deux fois la fréquence derotation, mais parfois à la fréquence de rota-tion. Si l’écart de concentricité domine, unemesure élevée de vibration sera constatée endirection radiale (perpendiculaire à l’arbre). Sipar contre l’écart de parallélisme domine, unemesure élevée de vibration sera constatéedans la direction axiale de la machine. Denombreux fabricants et sociétés de service ontchoisi un outil moderne d’alignement au lasertel que l’OPTALIGN® ou le ROTALIGN® pourcorriger les écarts d’alignement. Les toléran-ces recommandées d’alignement sont reprisesdans la note #4.

7. Balourd de moteur / Mauvais alignement des arbres

3 ISO 3945Vibration mécanique de grandes machines avecvitesse de rotation de 10 à 200 tr/sec. Mesures etévaluation des vibrations sur site 12/1985.4OPTALIGN® PLUSMode d’emploi et manuel d’alignement.PRUFTECHNIK AG, Ismaning, Allemagne 03/1997.

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Balourd de rotor/ Mauvais alignement d’arbre

Balourd

Amplitude à 1 x fn trop élevée

nÿÿFréquence de rotation fn=tr/min /60

nÿÿStandard d’évaluation : ISO 2372,ISO/DIS 10816-3

Alignement d’arbre

Deux (2x) la fréquence de rotation 2fn

nÿÿRadial: désalignement concentrique (2fn)

nÿÿAxial: désalignement angulaire (fn)

f en Hzfn 2fn

mm/s

f en Hz

mm/s

fn

16

L’asymétrie du champs de moteurs électri-ques peut être causé par un défaut de l’arma-ture du stator ou du rotor.Les défauts les plus répandus sont:

• Excentricité statique, entrefer non constantsans défaut d’angle (concentrique unique-ment)

• Déséquilibre de phase• Défaut d’isolement• Spires en court-circuit, point chaud

L’asymétrie du champs est mis en évidencepar une amplitude à deux fois la fréquenced’alimentation, sans bandes latérales.

8. Défauts stationnaires, asymétrie du champs

17

2fAlim

Deux fois la fréquence d'alimentation est visible

Fréquence d'alimentation fAlim = 50 ou 60 Hz

Exception: Variateur de fréquence d'alimentation

Pas de bandes latérales visible à 2fAlim

Machines bi-polaires:Présence de la deuxième harmonique de lavitesse de f

n (vitesse de rotation)

99.0 101.0

Défauts stationnaires, asymétrie du champs

f en Hzfn

mm/s

f en Hz2fn

2fAlim

mm/s

Asymetrie du champs du stator

nÿ Excentricité statique, l'entrefer est contant tout au long d'une génératrice, du à la déformation du support ou mauvais centrage des paliers

nÿDéfaut d'isolement

nÿDéséquilibre de phase

nÿSpires en court circuit

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L’asymétrie du champs rotorique est causépar:

• Barres rotoriques cassées, fissurées, desser-rées ou

• Tôles ou spires de rotor en court-circuit ou

• Défaut résistif sur les liaisons barres-an-neaux

• Anneaux de court-circuit fissurés ou cassés

Ces défauts peuvent être détectés sur lespectre vibratoire par la mise en évidence de:

• Répartition asymétrique des bandes latéra-les espacées de deux fois la fréquenced’alimentation par rapport à la fréquenced’encoches

• Fréquence principale d’alimentation avecbandes latérales espacées de la fréquencede glissement.

9. Défaut tournant

19

Défaut tournant

Fréquence d'encoches fbar (ou de barres) visible avecbandes latérales à 2fAlim d'intervalles

fbar = fn x nbarfn étant la vitesse de rotation etnbar = le nombre de barres (ou encoches)

Fréquence d'alimentation: fAlim = 50 ou 60 Hz

Bandes latérales visibles autour de 2fAlim en intervales fglisFréquence de glissement fglis = 2fAlim/p - fnet p = nombre de pôles statiques

99.0 101.0 f en Hz2fn

2fAlim

(100 Hz)

mm/s

fbar f en Hzfn 2fMains

mm/s

n Barres rotoriques cassées ou fissurées

n Tôles de rotor en court circuit

n Défauts résistifs sur liaison Anneaux-Barres

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Le spectre de vibration nous montre l’imagetype d’un balourd. La sévérité des vibrationsmesurées sur plusieurs points de la machinecomme indiqué ci contre indique la sourced’excitation est proche de l’accouplement. Unsimple équilibrage du disque de freinage ré-duira la sévérité de vibration à 3,5 mm/s sur lemoteur et à 3,1 mm/s sur le réducteur.

10. Diagnostic pratique: défaut d’équilibrage

21

Diagnostic pratique: défaut d'équilibrage

Réducteur de convoyeur à bandeP = 600 kWn = 996 tr/min (fn = 16,6 Hz)

Sévérité des vibrations Moteur RéducteurA, RH en mm/s 3,1 -A, RV 7,8 9,2A, AX 5,3 6,2B, RH 4,4 -B, RV 6,8 -

Cause: Balourd sur le frein

Réducteur, radial vertical, coté frein Réducteur, axial, coté frein

RéducteurFreinMoteur

fn = 16.6 Hz (balourd)

fn = 16.6 Hz (balourd)

AB

22

Le spectre de vibration montre nettement uneamplitude à deux fois la fréquence de rota-tion, ce qui indique clairement un défautd’alignement à l’accouplement. Après aligne-ment des axes de rotation, le pic a disparu. Lafréquence à une fois la fréquence de rotationest un balourd qu’il faudra encore corriger.

11. Diagnostic pratique: défaut d’alignement

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Diagnostic pratique: défaut d'alignement

Turbine hydraulique - générateur - réducteurP = 55 kWn = 1000 tr/min (fn = 16,67 Hz)

Sévérité de vibration Générateur RéducteurRH 9,5 1,5 mm/sRV 4,1 -AX 4,4 -

Alignement vertical Avant AprèsOuverture (Ø = 170 mm) 0,42 mm -0,02 mmConcentricité 0,44 mm 0,05 mm

Cause: défaut d'alignement

Générateur, mesure palier, avant lignage Après lignage

fmoteur

2fgénérateur = défaut d'alignementfgénérateur

2fgénérateur = bon alignement

RéducteurGénérateur

24

La grande vibration du moteur a attiré l’atten-tion, même lorsque celui ci fut désaccouplé.La pointe très élevée de vibration à 2x lafréquence d’alimentation montre un défautstationnaire (stator). Après démontage, il ap-paraît que le stator est en rupture suite a uncourt-circuit local du bobinage. Le moteur aété remplacé.

12. Diagnostic pratique: excentricité statique

25

Diagnostic pratique: excentricité statique

Ventilateur d'extraction en sidérurgie

P = 250 kWn = 2999 tr/min (fn = 50 Hz)

Sévérité de vibration:

Moteur, palier RH 4,8 mm/s

Cause: rupture du stator

Moteur, palier radial horizontal Zoom autour de 100 Hz

2fAlim

Asymétriedu champ

2fAlim

Asymétrie du champ

Moteur

Ventilateur

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Un moteur à développé de sévères vibrationset produisait des bruits inhabituels, de plus enplus prononcés jour après jour. A la différen-ces des spectres que l’on a l’habitude de voir,la fréquence de rotation était difficilementvisible. Les harmoniques étaient par contretrès apparents. Ces symptômes restent in-changés lorsque la courroie est enlevée dumoteur. Le problème a été résolu en refixantcorrectement la poulie desserrée sur l’arbredu moteur.

13. Diagnostic pratique: jeu dans la poulie

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Diagnostic pratique: jeu dans la poulie

Ensemble moteur - soufflanteP = 200 kWMoteur: 1486 tr/min = 24,77 Hz

Sévérité de vibration

Moteur:- coté poulie 6,9 mm/s- coté opp. poulie 7,1 mm/s

Cause: jeu excessif dans le montage de la poulie moteur

Moteur, coté poulie, avant réparation Après réparation

fmoteur

= 24,77 Hz

Ventilateur

Entrainementcourroie-poulies

fmoteur = 24,77 Hz

28

Le début d’endommagement des roulements,ne peut être détecté par les méthodestraditionnelles de mesure de vibration bassefréquence. La raison de ceci s’explique par lefait que lorsqu’une bille ou un rouleau passesur chemin de roulement endommagé il y aune onde de choc qui ne peut se mesurer quedans une échelle hautes fréquences. C’estpour cette raison que des méthodes de mesu-re hautes fréquences pour la mesure globaled’état de roulements furent utilisés. Il n’y apas de standard international pour ce type demesure, de ce fait une multitude de principesont vu le jour.

La liste ci-contre montre les méthodes les plusconnues. En Allemagne par exemple, la mé-thode d’onde de choc fut implantée il y a déjà25 ans comme technique de mesure pourdéterminer l’état de roulement. La différence

de cette méthode par rapport aux autres c’estquelle utilise deux paramètres pour l’évalua-tion: l’onde de choc Max pour déterminer lagravité de l’endommagement et la valeurTapis pour indiquer l’onde de choc de base duroulement dépendant de la charge et de lalubrification.

Une caractéristique typique de tous les para-mètres pour déterminer l’état de roulementest leur dépendance à la vitesse des élémentsroulants. Il est de ce fait nécessaire de norma-liser les mesures à cette vitesse ou de réaliserdes mesures comparatives .

14. Paramètres d’évaluation de roulement

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n Ondes de choc

n K(t) méthode

n Spike energy

n Valeur BCU

n Facteur Curtosis

n Facteur GSE

n Facteur SEE

n Facteur Crest accel.

Paramètres d’évaluation de roulement

Caractéristiques valeurs globales:l’évaluation efficace demande toujours:

Valeur initiale? Tolérance?

Vitesse de croissance dans le temps?

30

L’illustration ci-contre montre la procédure denormalisation des instruments de PRUFTECH-NIK pour la mesure d’onde de choc afin decompenser l’influence de la vitesse des élé-ments roulants.La valeur initiale dBia est déterminée enprenant une mesure comparative en bonnecondition. Ceci sert de référence pour lamesure de la valeur Max dBm et pour la valeurtapis dBc. Cette procédure permet la mesurede différents roulements en utilisant la mêmeéchelle et de ce fait les tolérances ne doiventpas êtres déterminées individuellement pourchaque location de mesure.

15. Normalisation de la mesure d’onde de choc

31

Normalisation de la mesure d’onde de choc

Mesure non normalisée

Valeur d’onde de choc max. dBm et la valeur tapis dBccomme niveau absolu en dBsv

Mesure normalisée

Valeur d’onde de choc max. dBm et la valeur tapis dBccomme niveau relatif en dBsv référencé à la valeur

n Les niveaux (limites) sont mis individuellementpour chaque localisation

dBm

dBC

Normalisation

dBm

dBC

dBia

Alarme

Alerte

Alarme

Alerte

n La valeur dBia comprend les facteurs d’influence devitesse, amortissement de signal, charge sur roult

n Après avoir déterminé la valeur dBia, les mêmes

niveaux (limites) sont utilisés pour chaque localisation

dBn

40

dBsv

70

0

0

32

Tout comme le diagnostic vibratoire par me-sure spectrale, un diagnostic avancé de roule-ment peut être réalisé par l’analyse du signal‘d’enveloppe’.

L’illustration ci contre explique la procédured’analyse d’enveloppe qui commence par lefiltrage des échelles de fréquence appropriéesque contient le signal émit par le roulementpendant le fonctionnement. Ce signal estensuite examiné au niveau des impulsions quisont émises lorsque les éléments roulants duroulement passent sur un endroit endomma-gé. La démodulation est utilisée pour calculerla courbe qui ‘enveloppe’ le signal du roule-ment. Si l’intervalle en temps entre les pointespériodiques dans la courbe d’enveloppe at-teint une fréquence critique caractéristique dedommage de roulement, le roulement peutêtre considéré comme étant endommagé.

16. Diagnostic de l’endommagement d’un roulement

Cette procédure permet un diagnostic précisd’état de roulement, même lorsque des si-gnaux perturbateurs d’engrenages couvrentle signal du roulement. La méthode demandecertaines données sur le roulement : le diamè-tre moyen du roulement, le nombre et lediamètre des éléments roulants, l’angle decharge et la vitesse de rotation.

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Diagnostic de l’endommagement d’un roulement

Signal temps Signal temps

Spectre de courbe d’enveloppe Spectre de courbe d’enveloppe

m/s²

m/s²

m/s²

m/s²

Ta

fa

2fa

etc.

temps

f en Hzf en Hz

temps

Fréquence de dommage fa = 1/Ta

Courbe d'enveloppe

Courbe d'enveloppe

Sans dommages Dommages

34

Cet exemple montre un dommage avancé dela bague interne du roulement.

La grande évolution du niveau d’onde de chocet spécialement la valeur Max qui passe de 18à 48 dBsv, signifie un sérieux dommage duroulement.

L’analyse du spectre d’enveloppe montre undéfauts à la fréquence caractéristique de labague interne. Ceci a été confirmé lors duremplacement, la surface endommagée sur labague interne couvrait environ 15 x 15 mm.

17. Diagnostic pratique: dommage de bague interne

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Diagnostic pratique: dommage de bague interne

fi = Fréquence caractéristiquede la bague interne

Bague interne intact

Mesure palier A Mesure palier B

Courbe d'enveloppe Courbe d'enveloppe

Ventilateur d'extraction sur une ligne de peintureP = 110 kWMoteur: 1307 tr/min = 21,78 HzVentilateur: 908 tr/min = 35,75 Hz

Roulement: 22218 à rouleaux

Ondes de chocs dBm dBc

Palier roulement A 48 29 dBSVPalier roulement B 18 7 dB

SV

Cause: Défaut sur bague interne de roulement

Défaut bague interne

A B

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La technologie de maintenance efficace

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