Comprendre les vibrations radiales dans les machines rotatives
Vibration radiale Il s'agit du mouvement d'un arbre en rotation perpendiculaire à son axe de rotation, qui rayonne vers l'extérieur à partir du centre, à l'instar des rayons d'une roue. Le terme « radial » désigne toute direction s'éloignant de l'axe central de l'arbre ; il englobe donc à la fois les mouvements horizontaux (d'un côté à l'autre) et verticaux (de haut en bas). C'est la même grandeur que les ingénieurs appellent vibrations latérales ou vibration transversale, et c'est de loin la forme la plus couramment mesurée et analysée Vibrations dans les machines tournantes — c'est le premier chiffre que consulte un technicien en fiabilité, et celui sur lequel s'appuient la plupart des normes internationales. Dans la pratique, il est mesuré dans deux directions perpendiculaires au niveau de chaque palier, ce qui permet de reconstituer le trajet complet de l'arbre dans l'espace.
1. Définition et instructions de mesure
Étant donné qu'un arbre peut se déplacer dans n'importe quelle direction dans le plan perpendiculaire à son axe, un seul capteur ne suffit jamais à donner une image complète de la situation. Deux capteurs montés à 90° l'un de l'autre au niveau de chaque palier permettent de saisir l'ensemble de la situation radiale, et leurs mesures sont généralement communiquées séparément ainsi qu'ensemble.
Vibration radiale horizontale
La vibration horizontale correspond au mouvement latéral de l'arbre :
- Perpendiculaire à l'axe de l'arbre et parallèle au sol.
- C'est souvent le point de mesure le plus accessible sur une machine horizontale.
- Tient compte de la gravité, de l'asymétrie de la rigidité des fondations et des fonctions de contrainte horizontale.
- L'orientation de mesure standard pour la plupart des programmes de surveillance de routine.
Vibration radiale verticale
La vibration verticale correspond au mouvement de va-et-vient de l'arbre :
- Perpendiculaire à l'axe de l'arbre et perpendiculaire au sol.
- Sous l'influence directe de la gravité et du poids statique du rotor.
- Leur amplitude est souvent supérieure à celle des vibrations horizontales, car le poids du rotor entraîne une rigidité d'appui asymétrique.
- C'est un élément essentiel pour l'analyse des machines à orientation verticale, telles que les pompes et les moteurs verticaux, où les termes « horizontal » et « vertical » perdent leur sens habituel et où les deux axes radiaux sont simplement orthogonaux.
Vibration radiale globale
Les deux mesures directionnelles sont parfois combinées en un total vectoriel unique :
Total radial = √(Horizontal² + Vertical²)
- Peut constituer un indicateur interne pratique pour le suivi des tendances, en condensant les deux directions en une seule valeur.
- Pas une valeur de sévérité normalisée : L'ISO 20816 (comme l'ISO 10816 avant elle) évalue la plus élevé des deux valeurs radiales orthogonales mesurées individuellement, par rapport aux limites de ses zones — ne comparez pas ce total combiné directement aux limites de l'ISO 20816, et ne l'utilisez pas non plus pour définir des limites d'alarme basées sur l'ISO, à moins que la norme ou la procédure que vous suivez ne définisse explicitement une métrique combinée de ce type.
- Comme les deux axes atteignent rarement leur point culminant au même moment, la trajectoire décrite par l'arbre est généralement une ellipse plutôt qu'un cercle — un fait qui revêt une importance particulière dans l'analyse des trajectoires.
2. Principales causes des vibrations radiales
Les vibrations radiales sont générées par toute force agissant perpendiculairement à l'axe de l'arbre. L'identification de la fréquence dominante est au cœur du diagnostic, car chaque défaut laisse une signature caractéristique.
1. Le déséquilibre (la cause principale)
Déséquilibre est la cause la plus fréquente de vibrations radiales dans les équipements rotatifs :
- Cela crée une force centrifuge qui tourne avec l'arbre, apparaissant à vitesse de rotation (1X).
- Cette force augmente avec la masse déséquilibrée, son rayon et — surtout — le carré de la vitesse ; ainsi, un petit point de masse devient un problème sérieux à mesure que le régime moteur augmente.
- Elle produit une forme globalement circulaire ou elliptique orbite de l'arbre.
- Cela peut être corrigé en équilibrage, la seule de ces pannes qui peut généralement être réparée sans remplacer de pièces.
2. Désalignement
Désalignement de l'arbre entre des machines couplées génère à la fois des forces radiales et vibrations axiales:
- Elle se manifeste principalement sous la forme d'une vibration radiale de type 2X (deux fois par tour).
- Il génère également des harmoniques 1X, 3X et plus harmoniques.
- Une forte vibration axiale accompagnant le signal radial constitue un indice important.
- Le phase La relation entre les deux roulements permet de déterminer si le désalignement est angulaire, parallèle (décalage) ou les deux.
3. Défauts mécaniques
Plusieurs problèmes mécaniques produisent des motifs radiaux caractéristiques :
- Défauts de roulement: chocs à haute fréquence au niveau de fréquences de défaut des roulements.
- Arbre tordu ou courbé : Une vibration 1X qui ressemble à un déséquilibre mais qui est présente même à faible vitesse — voir arc d'arbre.
- Desserrage: plusieurs harmoniques (1X, 2X, 3X et au-delà) présentant un comportement non linéaire, souvent directionnel.
- Fissures: Une vibration de 1X et 2X qui varie au démarrage et à l'arrêt — une caractéristique distinctive d'un rotor fissuré.
- Frottements : un mélange de composants subsynchrones et synchrones, caractéristique de frottement du rotor.
4. Forces aérodynamiques et hydrauliques
Les forces de processus à l'intérieur des pompes, des ventilateurs et des compresseurs exercent elles-mêmes une force radiale :
- Fréquence de passage des pales (nombre de pales × régime).
- Déséquilibre hydraulique résultant d'un débit asymétrique.
- Détachement de tourbillons et turbulence de l'écoulement.
- Fonctionnement en recirculation et en conditions hors norme, notamment cavitation dans les pompes.
5. Conditions de résonance
Lorsque la machine fonctionne à proximité d'un vitesse critique, les vibrations radiales s'amplifient considérablement :
- Lorsqu'une fréquence propre coïncide avec une fréquence de forçage, c'est la condition classique pour résonance.
- L'amplitude n'est alors limitée que par celui du système amortissement.
- Les niveaux peuvent atteindre des valeurs catastrophiques dans une fourchette de vitesse très étroite.
- La conception nécessite donc de prévoir des marges de sécurité suffisantes entre la vitesse de fonctionnement et les vitesses critiques.
3. Normes et paramètres de mesure
Unités de mesure
Les vibrations radiales peuvent être exprimées à l'aide de trois paramètres liés, chacun correspondant à une gamme de fréquences différente :
- Déplacement: la distance réellement parcourue (en micromètres, µm, ou en mils). Utilisé pour les machines à faible vitesse et sonde de proximité dimensions de l'arbre.
- Vitesse: le taux de variation du déplacement (mm/s, pouces/s). Il s'agit du paramètre le plus couramment utilisé pour les machines industrielles en général et il sert de base aux normes ISO de sévérité.
- Accélération: l'accélération (m/s², g). Utilisée pour des applications à haute fréquence, telles que la détection de défauts dans les roulements.
Ce choix est important car un même mouvement physique peut sembler anodin dans un appareil et alarmant dans un autre : la vitesse tend à aplatir le spectre dans la bande de fréquences moyennes, où se situent la plupart des défauts des machines tournantes, ce qui explique précisément pourquoi elle sert de base aux limites ISO.
Normes internationales
Le ISO 20816 Cette série définit les limites d'intensité des vibrations radiales. (Elle remplace l'ancienne série ISO 10816 ainsi que la norme ISO 2372 antérieure ; il convient de se référer à la norme ISO 20816 comme référence.)
- ISO 20816-1: Directives générales pour l'évaluation des vibrations des machines.
- ISO 20816-3: critères spécifiques pour les machines industrielles d'une puissance supérieure à 15 kW.
- Zones de sévérité : A (bon), B (acceptable), C (insatisfaisant), D (inacceptable)
- Lieu de mesure : généralement sur les paliers, dans les directions radiales.
Normes spécifiques à l'industrie
- API 610 : Limites de vibrations radiales pour les pompes centrifuges.
- API 617 : Critères de vibration pour les compresseurs centrifuges.
- API 684: procédures d'analyse de la dynamique des rotors pour la prévision des vibrations radiales.
- NEMA MG-1 : limites de vibration pour les moteurs électriques.
4. Techniques de surveillance et de diagnostic
Surveillance de routine
Les programmes standard surveillent les vibrations radiales selon un calendrier défini :
- Collecte par itinéraire : relevés périodiques à intervalles réguliers (mensuels, trimestriels).
- Tendances générales : en observant l'augmentation de l'amplitude totale au fil du temps.
- Limites d'alarme : définies par les normes ISO ou les normes propres à certains équipements.
- Comparaison : Courant par rapport à ligne de base, et horizontal par rapport à vertical.
Analyse avancée
Lorsqu'on soupçonne un problème, des outils plus poussés permettent d'en déterminer la nature :
- Analyse FFT: une fréquence spectre décomposer la vibration en ses différentes composantes.
- Forme d'onde temporelle: le signal brut au fil du temps, mettant en évidence les transitoires et la modulation.
- Analyse de phase : les relations temporelles entre les points de mesure.
- Analyse d'orbite : la trajectoire de l'axe central qui correspond directement aux mesures radiales.
- Analyse d'enveloppe: démodulation haute fréquence pour la détection précoce des défauts des roulements.
Surveillance continue
Les équipements critiques font généralement l'objet d'une surveillance permanente :
- Capteurs de proximité pour la mesure directe du mouvement d'un arbre.
- Fixé de manière permanente accéléromètres sur les paliers.
- Suivi des tendances et alertes en temps réel.
- Intégration avec le système de protection automatique protection des machines systèmes.
5. Différences entre l'orientation horizontale et l'orientation verticale
Relations d'amplitude typiques
Sur de nombreuses machines, la lecture verticale dépasse la lecture horizontale :
- Effet de la gravité : Le poids du rotor provoque une déformation statique qui renforce la rigidité dans le sens vertical.
- Rigidité asymétrique : les fondations et les structures de soutien sont souvent plus rigides dans le sens horizontal.
- Rapport typique : Il est courant que les vibrations verticales atteignent 1,5 à 2 fois la valeur horizontale.
- Effet de la masse de correction : Les masses de correction placées à la base d'un rotor (l'endroit le plus facilement accessible) ont tendance à réduire principalement les vibrations verticales.
Différences diagnostiques
- Déséquilibre : peut donner une lecture plus marquée dans un sens ou dans l'autre, selon l'emplacement de la zone de concentration.
- Relâchement: montre souvent plus clairement sa non-linéarité dans le sens vertical.
- Problèmes liés aux fondations : Les vibrations verticales sont plus sensibles à la détérioration des fondations.
- Désalignement : peuvent présenter des différences entre les mesures horizontales et verticales, selon le type de désalignement.
6. Lien avec la dynamique des rotors
Les vibrations radiales sont au cœur de dynamique du rotor analyse, car le comportement à la flexion radiale d'un arbre détermine comment — et où — il va présenter des défaillances.
Vitesses critiques
- Les fréquences propres radiales déterminent les vitesses critiques.
- La première vitesse critique correspond généralement au premier mode de flexion radiale.
- Diagrammes de Campbell prévoir le comportement radial en fonction de la vitesse.
- Les marges de sécurité par rapport aux vitesses critiques permettent de limiter les vibrations radiales.
Formes de mode
- Chaque mode radial présente une caractéristique forme de la déflexion.
- Premier mode : un simple arc.
- Deuxième mode : une courbe en S avec un point nodal.
- Modes supérieurs : des motifs de plus en plus complexes.
Considérations d'équilibrage
- L'équilibrage vise à réduire les vibrations radiales à la fréquence 1X.
- Coefficients d'influence mettre en relation chaque masse de correction avec la variation de vibration radiale qui en résulte.
- La meilleure plan de correction Les positions découlent des modes de vibration radiaux.
7. Correction, contrôle et travaux pratiques sur le terrain
Pour le déséquilibre
- Équilibrage sur site à l'aide d'un analyseur portable. Un appareil à deux canaux tel que le Balanset-1A mesure l'amplitude et la phase radiales 1X au niveau de chaque palier, calcule les coefficients d'influence et permet à un ingénieur d'équilibrer le rotor dans ses propres paliers à la vitesse de fonctionnement — sans démontage ni machine d'équilibrage. Pour convertir une valeur mesurée en une masse correctrice, vous pouvez également utiliser le calculateur de poids d'essai.
- Plan unique ou équilibrage à deux plans procédés, choisis en fonction de la géométrie du rotor.
- Équilibrage de précision en atelier sur une machine à équilibrer pour les composants les plus critiques.
Pour les problèmes mécaniques
- Alignement de précision pour corriger les désalignements.
- Remplacement des roulements en cas de défaillance.
- Resserrage des éléments desserrés.
- Réparation des fondations en cas de problèmes structurels.
- Redressage ou remplacement des arbres tordus.
Pour les problèmes de résonance
- Modifications de la vitesse pour éviter les plages de vitesse critiques.
- Modifications de rigidité (diamètre de l'arbre, changements d'emplacement des roulements)
- Améliorations de l'amortissement telles que amortisseurs à film d'huile ou pour un choix de roulements adapté.
- Des modifications de la masse visant à décaler les fréquences propres par rapport à la vitesse de fonctionnement.
8. Importance dans la maintenance prédictive
La surveillance des vibrations radiales est la pierre angulaire de maintenance prédictive:
- Détection précoce des défauts : Les changements dans les vibrations radiales précèdent les défaillances de plusieurs semaines ou mois
- Tendance : des augmentations progressives sont le signe d'un problème naissant.
- Diagnostic des défauts : La composition en fréquences permet d'identifier le type de défaut.
- Évaluation de la gravité : L'amplitude indique la gravité et l'urgence du problème.
- Programmation de la maintenance : Le travail dépend davantage des conditions que du calendrier.
- Économies de coûts : les pannes graves sont évitées et les intervalles de maintenance optimisés.
En tant que principale mesure des vibrations sur les machines tournantes, les vibrations radiales fournissent des indications essentielles sur l'état des équipements, ce qui les rend indispensables pour garantir un fonctionnement fiable, sûr et efficace des équipements industriels tournants.
