Comprendre les harmoniques dans l'analyse des vibrations

Définition : Qu'est-ce qu'une harmonique ?

Dans l'analyse des vibrations, un harmonique est une fréquence qui est un multiple entier d'une fréquence fondamentale. La fréquence fondamentale est généralement la fréquence d'entraînement principale d'un système, comme la vitesse de rotation d'un arbre. Cette fréquence fondamentale est appelée 1re harmonique ou 1x. Les harmoniques suivantes sont :

• Le 2e harmonique (2x) est la fréquence à exactement deux fois la fréquence fondamentale.
• Le 3ème harmonique (3x) est la fréquence exactement trois fois supérieure à la fréquence fondamentale.
• Et ainsi de suite (4x, 5x, 6x…).

Par exemple, si un moteur tourne à 1 800 tr/min (30 Hz), ses harmoniques apparaîtront dans le spectre de vibration à 60 Hz (2x), 90 Hz (3x), 120 Hz (4x), etc.

Pourquoi les harmoniques sont-elles générées ?

Dans un système parfaitement linéaire avec une fonction de forçage purement sinusoïdale (comme un rotor parfaitement équilibré), seule la fréquence fondamentale 1x serait générée. Cependant, les machines réelles ne sont pas parfaitement linéaires. Des harmoniques sont générées lorsque le mouvement d'un composant est déformé ou non sinusoïdal. Cette distorsion peut être causée par diverses conditions mécaniques et électriques. La présence et l'amplitude d'harmoniques spécifiques constituent donc de puissants indicateurs diagnostiques.

Causes courantes et valeur diagnostique des harmoniques

Le modèle des harmoniques dans un spectre de vibrations fournit des indices précieux sur la cause profonde d’un défaut de machine.

Amplitude élevée 1x (le fondamental)

Un pic dominant à 1x est le plus souvent associé à déséquilibrerL'excentricité et les arbres courbés produisent également un signal 1x fort.

Amplitude 2x élevée (2e harmonique)

Une forte 2ème harmonique, souvent comparable en amplitude au pic 1x, est un indicateur classique de désalignement de l'arbreLe désalignement force l'arbre à se plier deux fois à chaque tour, produisant une forte composante de fréquence 2x. Un désalignement parallèle important peut également produire des harmoniques 3x et 4x.

Une « famille » d’harmoniques (1x, 2x, 3x, 4x, 5x…)

Lorsque vous voyez une série de nombreuses harmoniques de vitesse en cours d'exécution, c'est la signature principale de relâchement mécaniqueLes impacts et les mouvements non linéaires créés par des composants desserrés (comme un roulement desserré dans son logement ou un boulon desserré sur un pied de machine) déforment le signal vibratoire et génèrent un riche spectre d'harmoniques. Plus le desserrage est important, plus les harmoniques sont présentes.

Autres causes d'harmoniques

• Rotors en porte-à-faux : Un arbre courbé sur une machine avec un rotor en porte-à-faux (comme une pompe verticale) peut générer de fortes harmoniques 1x, 2x et 3x.
• Machines alternatives : Le mouvement non sinusoïdal des pistons et des vilebrequins dans les moteurs et les compresseurs génère naturellement un riche spectre d’harmoniques.
• Problèmes électriques : Les problèmes dans les moteurs à courant alternatif peuvent générer des harmoniques de la fréquence de ligne (par exemple, 120 Hz dans un système 60 Hz).
• Frottements : Un frottement léger et partiel peut générer une série d'harmoniques d'ordre élevé, parfois jusqu'à 10x, 20x, voire plus.

Considérations d'analyse

Lors de l'analyse des harmoniques, il est important de prendre en compte :

• Quelle harmonique est dominante ? La réponse pointe vers différents défauts potentiels.
• Combien d'harmoniques sont présentes ? Un nombre élevé suggère un relâchement ou une distorsion sévère.
• Quelle est la tendance d'amplitude ? Une augmentation de l’amplitude des harmoniques au fil du temps indique une aggravation de l’état.
• Sont-ils radiaux ou axiaux ? Par exemple, un désalignement se traduit souvent par des vibrations axiales élevées, tandis que le déséquilibre est principalement radial.

En examinant le modèle complet des fréquences fondamentales et harmoniques, un analyste de vibrations peut diagnostiquer les problèmes de machine avec un degré de confiance élevé.

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