Diagnostic des vibrations des équipements marins

1. Principes fondamentaux du diagnostic technique

Pourquoi l'analyse vibratoire est-elle devenue l'approche dominante pour la surveillance des machines rotatives marines — et quelles sont les alternatives existantes ?

1.1 Principes de diagnostic

Le diagnostic technique consiste à évaluer l'état actuel d'une machine et à prévoir son évolution. Pour les équipements maritimes, cette tâche est particulièrement cruciale : une panne imprévue en mer peut mettre en danger l'équipage, la cargaison et le navire lui-même.

L'idée centrale est simple. Chaque machine tournante produit des signaux physiques mesurables : vibrations, chaleur, émissions acoustiques, contamination de l'huile, etc. Lorsque les composants internes s'usent, se fissurent, se corrodent ou se desserrent, ces signaux évoluent de manière généralement prévisible. Un programme de surveillance systématique permet de détecter ces changements précocement, de les classer par type et gravité, et d'intégrer des recommandations au calendrier de maintenance.

Termes clés

Flux de travail de diagnostic général

En pratique, le processus est itératif : si un motif ne correspond à aucun défaut connu, l'analyste revient en arrière, affine le traitement, ajoute de nouveaux points de mesure ou établit une corrélation avec d'autres méthodes de diagnostic (thermographie, analyse d'huile, contrôle par ultrasons).

Diagnostic fonctionnel vs. diagnostic sur banc d'essai

Diagnostic fonctionnel Ce système recueille des données pendant le fonctionnement de la machine à charge normale. Il reflète des conditions de fonctionnement réalistes, mais limite les tests réalisables : il est impossible, par exemple, d’injecter une excitation artificielle dans une pompe alimentant le moteur principal en eau de refroidissement.

Diagnostic sur banc d'essai (testeur) Cette méthode consiste à appliquer une excitation contrôlée (marteau d'impact, vibreur à balayage sinusoïdal ou équivalent), généralement lors d'un arrêt technique. Elle permet de révéler les fréquences naturelles, les fonctions de transfert et les caractéristiques structurelles que les diagnostics fonctionnels ne peuvent fournir. À bord d'un navire, la difficulté pratique est évidente : les arrêts techniques sont coûteux et parfois impossibles pour les systèmes critiques.

Choisir ce qu'il faut surveiller

Toutes les machines à bord d'un navire ne nécessitent pas le même niveau d'attention. Le choix des paramètres à surveiller sur chaque équipement implique un compromis entre la couverture du diagnostic et le coût pratique. Les critères de sélection habituels comprennent la sensibilité à l'apparition de défauts, la répétabilité des mesures, le coût du capteur et de son installation, ainsi que la criticité de l'équipement lui-même.

1.2 Stratégies de maintenance

L'industrie maritime a connu quatre grandes philosophies de maintenance, chacune présentant un profil coût-risque différent.

La plupart des flottes modernes utilisent une approche combinée. Les systèmes de propulsion et de production d'énergie critiques font l'objet d'une maintenance conditionnelle ou proactive. Les équipements auxiliaires peuvent être entretenus selon des calendriers d'entretien périodique, voire jusqu'à panne lorsque les pièces de rechange sont peu coûteuses et les conséquences mineures. L'analyse vibratoire est essentielle à la maintenance conditionnelle.

1.3 Vibration comme signal de diagnostic principal

L'analyse vibratoire domine la surveillance de l'état des équipements marins pour plusieurs raisons interdépendantes :

• Toutes les machines tournantes produisent des vibrations — aucune excitation supplémentaire n'est nécessaire.
• Les défauts modifient les schémas de vibration de manière bien documentée et spécifique à chaque défaut.
• Les mesures sont non intrusives et peuvent être effectuées pendant le fonctionnement normal des machines.
• Les délais d'alerte précoce se mesurent généralement en semaines ou en mois, et non en heures.
• Cette technique est quantitative — les résultats correspondent directement aux zones de sévérité définies par les normes internationales.

La méthodologie se déroule en six étapes : établissement de la référence, suivi de tendance, détection d'anomalies, classification des défauts, évaluation de la sévérité et pronostic (durée de vie utile restante). Chaque étape s'appuie sur des outils différents — du simple suivi de tendance RMS à la première étape jusqu'à analyse d'enveloppe, le cepstre et les classificateurs par apprentissage automatique aux étapes suivantes.

États de condition

Perspective économique

Le retour sur investissement des programmes de contrôle des vibrations à bord des navires est variable, mais des ratios de 5:1 à 10:1 sont fréquemment cités dans la littérature. Les économies réalisées proviennent principalement de trois sources : la prévention des dommages secondaires catastrophiques (comme la défaillance d'un palier entraînant la destruction d'un arbre), l'allongement de la durée de vie des composants grâce à l'élimination des révisions inutiles et la réduction du coût des réparations d'urgence à quai par rapport aux travaux planifiés en cale sèche.

2. Physique des vibrations, unités et normes

Déplacement, vitesse, accélération — les trois visages de la vibration, et le cadre ISO utilisé pour juger du seuil à ne pas dépasser.

2.1 Paramètres principaux

La vibration est le mouvement oscillatoire d'un système mécanique autour d'une position d'équilibre. Elle est décrite par trois grandeurs cinématiques interdépendantes, chacune étant utile dans une gamme de fréquences différente.

Comme la vitesse est proportionnelle à la fréquence (le facteur ω) et l'accélération proportionnelle à ω², ces trois paramètres présentent des sensibilités très différentes sur l'ensemble du spectre. C'est la raison pratique pour laquelle les ingénieurs choisissent l'un plutôt que l'autre.

Mesures statistiques

RMS La valeur quadratique moyenne (RMS) représente l'amplitude effective et est corrélée à l'énergie contenue dans les vibrations. C'est la mesure par défaut pour l'évaluation de la sévérité selon les normes ISO.

Valeur maximale capture l'amplitude instantanée maximale — utile pour détecter les impacts et les événements transitoires.

Valeur crête à crête Il indique l'amplitude totale entre les pics positif et négatif. Il est couramment utilisé pour les mesures de déplacement et l'analyse des jeux.

Facteur de crête est le rapport entre la valeur de crête et la valeur RMS. Sa valeur absolue dépend du type de machine, de la bande passante de mesure et du régime de fonctionnement — une sinusoïde pure donne ≈1,4, et une machine tournante en bon état se situe généralement autour de 3–4 — il n'existe donc pas de valeur « normale » universelle unique. Ce qui compte sur le plan diagnostique, c'est le tendance: une augmentation du facteur de crête indique une impulsivité croissante, signe précoce fréquent de défauts de surface de palier ou de chocs.

2.2 Types de vibrations dans les systèmes marins

Les machines marines génèrent plusieurs catégories de vibrations, chacune résultant d'un mécanisme physique différent.

Par source d'excitation

• Vibration libre — le système oscille à sa fréquence naturelle après une excitation transitoire (démarrage, arrêt, impact).
• Vibrations forcées — Excitation continue à une fréquence liée à la vitesse de rotation, au nombre de pales ou à l'alimentation électrique. La majorité des vibrations en régime permanent sont forcées.
• Vibration auto-excitée — la machine crée sa propre excitation grâce à un mécanisme de rétroaction interne : tourbillonnement d’huile dans les paliers lisses, flottement aérodynamique, frottement par à-coups.
• Vibration paramétrique — La rigidité ou l'amortissement du système varie périodiquement, injectant de l'énergie dans la réponse. Une dent d'engrenage fissurée, dont la rigidité d'engrènement change à chaque tour, en est un exemple typique.

En fonction de la vitesse

• Synchrone (lié à l'ordre) La fréquence est un entier ou un multiple rationnel simple de la vitesse de rotation de l'arbre. Le balourd (1×), le défaut d'alignement (2×) et le jeu (nombreuses harmoniques) en font partie.
• Asynchrone — la fréquence n'est pas un multiple entier de la vitesse de l'arbre. Les fréquences de défaut de palier, les harmoniques de la fréquence secteur et les vibrations de glissement de courroie entrent dans cette catégorie.

Par la direction

Radial Les vibrations (perpendiculaires à l'arbre) dominent dans la plupart des équipements rotatifs et constituent la première direction mesurée. Axiale Les vibrations (parallèles à l'arbre) signalent des problèmes de palier de butée, des problèmes d'accouplement et des forces aérodynamiques. torsionnel Les vibrations (torsion autour de l'axe de l'arbre) nécessitent des capteurs spécialisés et sont principalement surveillées sur les longues chaînes de propulsion où la résonance de torsion peut être destructive.

Fréquences naturelles et résonance

Chaque système mécanique possède des fréquences propres déterminées par sa masse, sa rigidité et son amortissement. Lorsqu'une fréquence d'excitation se rapproche d'une fréquence propre, la réponse est amplifiée, parfois d'un facteur 10 ou plus. Dans les machines tournantes, ces coïncidences sont appelées vitesses critiques.

Sources de vibrations

Mécanique — balourd, défaut d'alignement, défauts de roulement, jeu, problèmes d'engrenage, courbure de l'arbre. Les fréquences sont généralement liées à la vitesse de rotation de l'arbre et à la géométrie des composants.

Électromagnétique — défauts des barres du rotor, excentricité du stator, déséquilibre de la tension d'alimentation. Les fréquences se concentrent autour du double de la fréquence du réseau (100 Hz pour une alimentation de 50 Hz, 120 Hz pour une alimentation de 60 Hz) et de ses multiples.

Hydraulique / aérodynamique — passage des pales, cavitation, turbulence, recirculation. La fréquence de passage des pales est égale au nombre de pales multiplié par la fréquence de rotation ; la cavitation produit un bruit aléatoire à large bande concentré au-dessus de 1–2 kHz.

2.3 Unités et normes

Les mesures de vibrations utilisent des échelles linéaires et logarithmiques (décibels). L'échelle en décibels compresse les grandes plages dynamiques et met en évidence les variations relatives.

Les valeurs de référence sont normalisées dans l'ISO 1683 : 10⁻⁹ m/s (1 nm/s) pour la vitesse et 10⁻⁶ m/s² (1 μm/s²) pour l'accélération. Indiquez toujours la référence lors du report de niveaux en décibels.

ISO 20816 (anciennement ISO 10816) — Vibrations sur les parties non tournantes

Le ISO 10816 la série a historiquement été le cadre le plus utilisé pour évaluer les vibrations des machines mesurées sur les parties non tournantes (paliers). Elle est en cours de remplacement par la série ISO 20816 série : l'ISO 20816-1:2016 a remplacé à la fois l'ISO 10816-1 et l'ISO 7919-1, et ISO 20816-3:2022 a remplacé l'ISO 10816-3 pour les machines industrielles de puissance supérieure à 15 kW. La logique d'évaluation à quatre zones (A à D) reste identique dans les deux séries ; les limites numériques dépendent du groupe de machine et de la classe de support.

Le tableau ci-dessous présente exemple limites de zone pour une classification spécifique (ISO 10816-3 / ISO 20816-3, machines du groupe 2 de 15–300 kW, support rigide). Ces valeurs ne sont pas universelles — consultez toujours la partie de la norme qui s'applique à votre type de machine, à sa plage de puissance et à son montage.

Normes marines et spécifiques aux machines

Au-delà de la série générale sur les machines, plusieurs normes traitent directement des navires et de types de machines spécifiques :

Groupes de machines et classes de support

Dans le cadre ISO 10816-3 / ISO 20816-3, les principaux groupes pour les machines industrielles sont les suivants : Groupe 1 — grandes machines d'une puissance supérieure à 300 kW et allant jusqu'à 50 MW ; Groupe 2 — machines moyennes d'une puissance de 15 à 300 kW. Des dispositions distinctes existent pour les pompes selon que l'entraînement est intégré ou externe. Les limites sont en outre différenciées selon la rigidité du support.

Un système de support est considéré rigide lorsque la fréquence propre la plus basse de l'ensemble machine-fondation est nettement supérieure à la fréquence d'excitation principale — une règle pratique courante retient un écart d'au moins 25 %. Flexible les supports dont la fréquence propre la plus basse est inférieure à la fréquence d'excitation amplifient les vibrations du carter et se voient attribuer des limites d'acceptation plus tolérantes. Cette distinction doit être vérifiée par mesurage (essai de choc) plutôt que présumée d'après le seul aspect de la construction — un point important à bord des navires, où les machines montées sur supports résilients sont courantes.

Points de mesure

Les normes prescrivent un mesurage sur les paliers, au plus près possible de la zone de charge, selon trois directions : radiale horizontale, radiale verticale et axiale (généralement au palier côté entraînement uniquement). Les mesures doivent être effectuées dans des conditions de fonctionnement stables — vitesse nominale et charge représentative — et moyennées sur une durée suffisante pour capter toute variation cyclique.

3. L'environnement d'exploitation marine

Ce qui distingue le travail vibratoire à bord d'un navire du même travail en usine : des vitesses variables, une fondation en acier flexible qui flotte, et une hélice à l'extrémité de la ligne d'arbres.

3.1 Vitesse et charge variables

Contrairement à la plupart des installations industrielles, l'appareil propulsif marin fonctionne rarement à une vitesse unique. Les moteurs principaux suivent les ordres de la passerelle, les alternateurs prennent et délestent la charge électrique, et les navires équipés d'hélices à pas variable modifient la charge à vitesse d'arbre constante. Pour le diagnostic, cela a deux conséquences :

• Étalement des spectres. Une FFT classique réalisée pendant une dérive de vitesse étale chaque composante rotationnelle sur plusieurs raies de fréquence. Le suivi d'ordre — qui rééchantillonne le signal par rapport à une référence tachymétrique — conserve des pics nets liés à la vitesse, quelle que soit la dérive.
• Les valeurs de référence doivent être associées à une condition de fonctionnement. Une mesure prise à 85 % de la MCR par mer calme n'est pas comparable à une mesure prise à 50 % de charge par mer agitée. Chaque mesure enregistrée doit être accompagnée de métadonnées de vitesse, de charge et d'état de la mer, et les tendances doivent comparer des situations comparables.

3.2 Excitation au rythme de passage des pales de l'hélice et résonances de coque

L'hélice est l'un des excitateurs périodiques les plus puissants du navire. Chaque pale traversant le champ de sillage non uniforme derrière la coque génère une impulsion de pression, produisant une vibration à la fréquence de passage des aubes (fréquence de passage des pales) et à ses harmoniques :

Comme la coque est une grande structure soudée relativement flexible, l'excitation au rythme de passage des pales peut se coupler aux modes de flexion de la poutre-coque, aux modes locaux de panneaux et aux modes de superstructure. Les symptômes vont de l'inconfort de l'équipage dans les locaux d'habitation jusqu'aux supports de tuyauterie fissurés et à la fatigue de structures locales. L'ISO 20283-2 régit le mesurage de ces vibrations structurelles ; l'ISO 20283-5 fixe le cadre d'évaluation de l'habitabilité. Les remèdes incluent la refonte ou la réparation de l'hélice (un endommagement des pales accroît l'excitation induite par le sillage), la modification du nombre de pales, le renforcement structurel, et l'évitement d'un fonctionnement prolongé à des vitesses d'arbre résonantes.

3.3 Lignes d'arbres et vibrations de torsion

La ligne d'arbres d'un navire — moteur principal ou réducteur, arbres intermédiaires, palier de tube d'étambot, hélice — constitue un système rotor long et lourd dont l'alignement dépend de la coque qui l'entoure. La déflexion de la coque varie selon le chargement de la cargaison, l'état de ballastage et la température, si bien qu'une ligne d'arbres parfaitement alignée en cale sèche peut se désaligner en mer. Les symptômes incluent une vibration élevée à 1× et 2× au niveau des paliers intermédiaires, une surchauffe du palier de tube d'étambot, et des relevés d'usure inégaux.

Les longues lignes d'arbres entraînées par des moteurs diesel sont également sujettes aux vibrations de torsion. Les ordres d'allumage du moteur excitent les fréquences propres de torsion du système vilebrequin–ligne d'arbres ; lorsqu'une résonance de torsion critique importante se situe dans la plage de fonctionnement, une plage de vitesses interdite est définie, dans laquelle le fonctionnement continu est prohibé. La vibration de torsion est en grande partie invisible aux accéléromètres ordinaires montés sur carter — elle nécessite des instruments dédiés (torsiographes, jauges de contrainte, mesure de torsion par codeur). L'ISO 20283-4 couvre le mesurage et l'évaluation des vibrations de l'appareil propulsif.

3.4 Sociétés de classification et facteurs environnementaux

Les sociétés de classification (DNV, Lloyd's Register, Bureau Veritas, ABS, entre autres) publient des recommandations relatives aux machines et aux vibrations, et proposent des notations de classe pour la surveillance d'état, en vertu desquelles un programme de surveillance approuvé et auditable peut se substituer à certaines parties du régime de visites à intervalles fixes. Les exigences spécifiques diffèrent selon les sociétés et évoluent dans le temps ; les règles applicables doivent donc toujours être vérifiées auprès de la société de classification du navire — mais le point commun est que la qualité des données, les procédures documentées et la compétence de l'analyste doivent pouvoir être démontrées.

Enfin, l'environnement marin lui-même agit contre la chaîne de mesure : l'air chargé de sel corrode les connecteurs, les températures en salle des machines varient fortement, et les zones de lavage exigent des capteurs et des câblages correctement protégés. Les indices de protection environnementale, la quincaillerie inoxydable et un entretien rigoureux des câbles ne sont pas des luxes — un connecteur corrodé produit des signaux intermittents qui imitent des défauts machine.

4. Méthodes de mesure et capteurs

Sélection des capteurs, montage, conditionnement du signal et réalités pratiques de la collecte de données vibratoires de qualité à bord d'un navire.

4.1 Principes de mesurage

Cinématique vs. Dynamique

La plupart des capteurs de vibrations mesurent mouvement La mesure cinématique ne quantifie que le déplacement, la vitesse ou l'accélération, sans prendre en compte la force qui les produit. La mesure dynamique, quant à elle, combine les données de mouvement et de force, généralement grâce à des accéléromètres et des capteurs de force appariés, et est principalement utilisée dans des environnements d'essais contrôlés, comme pour l'analyse modale ou la mesure de la fonction de transfert.

Absolu vs. Relatif

Vibration absolue est le déplacement d'un point par rapport à un référentiel inertiel. Un accéléromètre boulonné sur un palier fournit une mesure de vibration absolue du carter. Vibrations relatives Il s'agit du mouvement entre deux pièces, généralement l'arbre et le palier. Les capteurs de proximité permettent de mesurer ce mouvement et sont couramment utilisés sur les grandes turbomachines nécessitant des informations sur l'orbite de l'arbre.

Contact vs. sans contact

Les capteurs de contact (accéléromètres, capteurs de vitesse, jauges de contrainte) sont fixés physiquement à la surface vibrante. Ils offrent une sensibilité élevée, une large bande passante et des procédures bien établies. Les capteurs sans contact (sondes à courants de Foucault, vibromètres laser) effectuent des mesures à distance et sont indispensables pour les surfaces en rotation, les zones à haute température et les endroits où la charge massique d'un capteur de contact fausserait la mesure.

4.2 Technologies de capteurs

Accéléromètres piézoélectriques

L'outil de référence pour la mesure des vibrations marines. Un élément piézoélectrique (quartz ou céramique) génère une charge électrique proportionnelle à la force appliquée. L'électronique interne (norme IEPE/ICP) convertit cette charge en un signal de tension à faible impédance, transmissible de manière fiable sur de longs câbles, même dans l'environnement bruyant d'une salle des machines.

Les modèles haute fréquence (jusqu'à 50 kHz, sensibilité moindre) sont utilisés pour la détection précoce des défauts de roulement. Les modèles haute sensibilité (100 à 1 000 mV/g, bande passante jusqu'à environ 5 kHz) sont privilégiés pour la détection des vibrations de faible niveau dans les machines de précision.

Accéléromètres MEMS

Les accéléromètres microélectromécaniques sont plus petits, moins chers et consomment moins d'énergie que les modèles piézoélectriques. Ils sont devenus une solution viable pour la surveillance permanente des machines non critiques et des réseaux de capteurs sans fil. La bande passante et la plage dynamique se sont considérablement améliorées ces dernières années, même si les capteurs piézoélectriques restent les plus performants en haute fréquence.

Capteurs de vitesse (transducteurs sismiques)

Une masse magnétique suspendue se déplace par rapport à une bobine, générant une tension proportionnelle à la vitesse. Ces capteurs ne nécessitent aucune alimentation externe, présentent une construction robuste et fournissent une sortie directe en vitesse — pratique pour l'évaluation selon l'ISO 20816 / l'ancienne ISO 10816 sans intégration. Les inconvénients incluent une réponse en basse fréquence limitée (généralement au-dessus de 10 Hz), une sensibilité à la température, et un encombrement relativement important.

Sondes de proximité (capteurs à courants de Foucault)

Un oscillateur haute fréquence génère un champ électromagnétique à l'extrémité de la sonde. Les courants de Foucault présents à la surface conductrice de l'arbre modifient l'impédance, et l'électronique convertit cette variation en une tension continue proportionnelle à l'entrefer. Deux sondes, montées à 90° sur chaque palier, fournissent les données de position XY de l'arbre pour l'analyse d'orbite. La résolution est de l'ordre de 0,1 µm, et la sonde présente une réponse en courant continu (elle peut suivre les déplacements statiques lents ainsi que les vibrations dynamiques).

4.3 Montage et étalonnage

Méthodes de montage

La fréquence maximale utilisable dépend du mode de fixation du capteur sur la machine. Chaque méthode introduit une résonance de montage au-delà de laquelle la mesure n'est plus fiable.

Conditionnement du signal

Les capteurs IEPE nécessitent une alimentation à courant constant (généralement 2 à 4 mA sous 18 à 28 V CC). Cette alimentation est normalement fournie par le système d'acquisition de données. Les capteurs en mode charge requièrent un amplificateur de charge externe. Dans les deux cas, le signal doit être acheminé par des câbles blindés à faible bruit, et leur longueur doit être réduite au minimum afin de limiter les interférences électromagnétiques provenant des câbles d'alimentation de la salle des machines.

Calibrage

Les capteurs et les canaux doivent être vérifiés par rapport à une référence traçable au moins une fois par an, voire plus fréquemment en milieu marin difficile. Un excitateur d'étalonnage portable produisant une accélération et une fréquence connues (généralement 10 m/s² à 159,15 Hz) constitue l'outil standard sur le terrain. Une comparaison directe avec un accéléromètre de référence offre une plus grande fiabilité et peut être effectuée à bord.

5. Analyse du signal

De la forme d'onde vibratoire brute aux conclusions diagnostiques : la chaîne de traitement du signal qui rend possible l'identification des défauts.

5.1 Types de signaux

Comprendre le type de signal produit par votre machine détermine les techniques d'analyse qui permettront d'en extraire des informations utiles.

Signaux périodiques et harmoniques

Une sinusoïde pure à une seule fréquence est le cas le plus simple (rare en pratique). La plupart des machines tournantes produisent polyharmonique Les signaux comprennent une fréquence fondamentale et ses multiples entiers. Un moteur diesel à quatre temps produit des harmoniques d'ordre d'allumage ; un train d'engrenages produit la fréquence d'engrènement et ses harmoniques.

Signaux modulés

Modulation d'amplitude (AM) — l'enveloppe du signal varie périodiquement. Un défaut de bague intérieure de roulement qui traverse la zone de charge une fois par tour crée une modulation d'amplitude (AM) de la réponse impulsionnelle haute fréquence à la vitesse de l'arbre. Modulation de fréquence (FM) — la fréquence instantanée varie. Les fluctuations de vitesse d'un compresseur alternatif en sont une source courante.

Signaux impulsifs et transitoires

Événements de courte durée et de forte amplitude qui excitent simultanément plusieurs résonances. Les défauts de roulements à éléments roulants, l'écaillage des dents d'engrenage et les fixations desserrées produisent tous des vibrations impulsionnelles. Caractéristiques typiques : facteur de crête élevé, contenu fréquentiel large, décroissance rapide et répétition périodique à la fréquence du défaut.

Signaux aléatoires

Les écoulements turbulents, la cavitation et la dégradation avancée des surfaces produisent des vibrations sans composante périodique dominante. Statistiquement, elles sont caractérisées par leur densité spectrale de puissance (DSP) plutôt que par des pics de fréquence individuels.

5.2 Domaine temporel et domaine fréquentiel

Analyse dans le domaine temporel

L'examen du signal brut révèle des informations que l'analyse spectrale peut masquer : la chronologie des impacts, les motifs de modulation, l'asymétrie (troncature, écrêtage) et la présence d'événements transitoires. Les paramètres statistiques calculés à partir du signal (valeur efficace, facteur de crête, kurtosis, asymétrie) quantifient les caractéristiques du signal et constituent souvent les premiers indicateurs de la détérioration des roulements.

Le kurtosis est particulièrement utile pour le diagnostic des roulements. Un roulement en bon état produit des vibrations approximativement gaussiennes (kurtosis ≈ 3). L'apparition de défauts fait grimper le kurtosis bien au-delà de 4 — voire parfois au-delà de 10 — bien avant que la valeur RMS globale n'atteigne un niveau suffisant pour déclencher une alarme.

Analyse dans le domaine fréquentiel (FFT)

La transformée de Fourier rapide convertit un enregistrement temporel en un spectre de fréquences, révélant les fréquences porteuses d'énergie maximale. Il s'agit du principal outil de diagnostic, car différents types de défauts produisent des vibrations à des fréquences différentes et prévisibles.

Considérations clés relatives au traitement du signal numérique

Taux d'échantillonnage doit être supérieure à deux fois la fréquence la plus élevée d'intérêt (critère de Nyquist). Les filtres anti-repliement atténuent toutes les fréquences supérieures à la fréquence de Nyquist avant numérisation. Règle pratique : échantillonner à 2,56 fois la bande passante d'analyse (pour compenser l'atténuation due au filtre).

Résolution en fréquence = 1 / T, où T est la durée de l'enregistrement. Pour séparer deux fréquences proches, un enregistrement plus long est nécessaire. Dans les applications marines où la vitesse varie légèrement, le suivi d'ordre (rééchantillonnage synchronisé sur une impulsion tachymétrique) maintient une résolution constante dans le domaine d'ordre, indépendamment de la dérive de vitesse.

Fenêtrage Ce procédé supprime les fuites spectrales dues à la longueur finie de l'enregistrement. La fenêtre de Hanning est la fenêtre par défaut à usage général ; la fenêtre à sommet plat (flat-top) offre la meilleure précision d'amplitude (importante pour la comparaison avec les limites absolues) ; la fenêtre rectangulaire convient uniquement aux signaux véritablement transitoires.

5.3 Techniques avancées

Analyse d'enveloppe (démodulation d'amplitude)

La méthode de référence pour le diagnostic des roulements à éléments roulants. Étapes : (1) filtrage passe-bande autour d'une résonance structurelle excitée par les impacts du roulement (généralement 2–8 kHz), (2) extraction de l'enveloppe d'amplitude par transformée de Hilbert ou redressement + filtrage passe-bas, (3) calcul de la FFT de l'enveloppe. Fréquences des défauts de roulement (BPFO, BPFI, BSF, FTF) apparaissent alors comme des pics distincts dans le spectre d'enveloppe, clairement séparés des harmoniques de la vitesse de l'arbre et des autres sources.

Analyse du cepstre

Le cepstre est la transformée de Fourier inverse du spectre en logarithme de l'amplitude. Il détecte les motifs périodiques dans dans le spectre de fréquences — exactement ce que produisent les bandes latérales autour de la fréquence d'engrènement ou les familles harmoniques dues au jeu. Cette technique est moins intuitive que la FFT directe, mais elle excelle lorsque plusieurs familles de bandes latérales se chevauchent.

Suivi de commande

Pour les machines à vitesse variable (courantes sur les navires équipés de variateurs de fréquence ou lors des manœuvres), la FFT conventionnelle étale les pics liés à la vitesse. Le suivi d'ordre rééchantillonne le signal temporel à l'aide d'un tachymètre ou d'une référence de vitesse, convertissant ainsi l'analyse du domaine fréquentiel au domaine d'ordre. Chaque ordre correspond à un multiple fixe de la vitesse de rotation de l'arbre.

Fonction de cohérence

Mesure la relation linéaire entre deux signaux en fonction de la fréquence. Une cohérence proche de 1,0 à une fréquence donnée signifie que la vibration au point de réponse est principalement causée par l'excitation au point de référence. Utile pour isoler les chemins de transmission, vérifier la qualité de la mesure et évaluer la part de la vibration d'une machine transmise aux structures voisines — ou, sur un navire, la part de la vibration « de la machine » qui provient en réalité de l'hélice à travers la coque.

6. Programmes de surveillance de l'état

Conception et mise en œuvre d'un programme de surveillance des vibrations à bord des navires — des essais de réception à l'analyse des tendances.

6.1 Essais de réception

Les essais de réception vibratoire permettent de vérifier qu'un équipement neuf ou révisé répond à ses spécifications de conception avant sa mise en service. Pour l'équipement marin, cela se fait généralement en plusieurs étapes : essai de réception en usine (FAT) chez le fabricant — l'ISO 20283-3 couvre la mesure de vibration avant installation des équipements de bord — essai de réception au port (HAT) après installation à bord, puis essai en mer à pleine charge.

Ce que les tests d'acceptation détectent

• Un balourd résiduel dépassant le ISO 21940-11 (anciennement ISO 1940-1) grade de qualité d'équilibrage spécifié
• Pied mou — un ou plusieurs pieds de fixation ne sont pas en contact adéquat avec la fondation
• Défaut d'alignement du couplage introduit lors de l'installation
• Contraintes de tuyauterie transmises aux brides de la pompe ou du compresseur
• Résonances de fondation coïncidant avec la vitesse de fonctionnement ou la fréquence de passage des pales de l'hélice

Les mesures effectuées lors des essais de réception deviennent la référence de base pour la surveillance ultérieure de l'état. Elles doivent être prises à plusieurs niveaux de charge (généralement 25 %, 50 %, 75 %, 100 %) et documentées avec les paramètres de fonctionnement (vitesse, charge, températures, état de la mer).

6.2 Systèmes de surveillance

Systèmes portables (par tournées)

Un technicien parcourt un itinéraire prédéfini dans la salle des machines, collectant des données à chaque point de mesure balisé à l'aide d'un terminal portable. Un logiciel installé sur un ordinateur à terre ou au bureau stocke, analyse et traite les données. Cette méthode est la plus économique pour les machines auxiliaires pour lesquelles une surveillance continue n'est pas justifiée.

Systèmes permanents (en ligne)

Des capteurs sont installés en permanence sur les équipements critiques et reliés à un système central d'acquisition de données. Les mesures sont effectuées automatiquement à intervalles réguliers ou en continu. Des alarmes se déclenchent en cas de dépassement des seuils prédéfinis. Les moteurs principaux, les générateurs, les moteurs de propulsion et les réducteurs sont des exemples typiques d'équipements concernés.

Approche hybride

La plupart des flottes modernes combinent les deux approches. La surveillance continue couvre les 10 à 15 machines les plus critiques. Des mesures portables, effectuées selon un itinéraire précis, couvrent 50 à 200 équipements auxiliaires à un rythme hebdomadaire ou trimestriel. Un logiciel unifié fusionne les deux ensembles de données dans une base de données unique.

Un point de départ pratique

Le tableau ci-dessous constitue une matrice de départ typique pour un navire de commerce. Il est volontairement générique — l'analyse de criticité, les exigences de la société de classification et les instructions du fabricant priment pour tout navire spécifique.

Base de données et hiérarchie

La base de données de surveillance organise les équipements selon une structure arborescente : navire → département (machine, pont, électricité) → système (propulsion, refroidissement auxiliaire, lutte contre l’incendie) → machine → composant → point de mesure. Chaque point est défini par le type de capteur, la direction, les unités, les seuils d’alarme et les paramètres d’analyse. Cette hiérarchie bien conçue facilite l’analyse comparative et la production de rapports à l’échelle de la flotte.

6.3 Niveaux d'alarme et analyse de tendance

Réglage des seuils d'alarme

Il existe trois approches courantes, et elles peuvent être combinées.

• Fondé sur des normes — utiliser directement les limites de zone ISO 20816 (anciennement ISO 10816) ou API. Simple mais uniforme pour tous les cas.
• Statistique — Définir l'alerte à la moyenne de base + 2 à 3 écarts-types, le seuil de danger à la moyenne + 4 à 6 σ. Adapté à chaque machine, mais nécessite des données de base suffisantes.
• Fondé sur l'expérience — s'appuie sur la connaissance qu'a l'analyste d'un type de machine spécifique. Elle est souvent la plus efficace pour les équipements inhabituels ou très anciens, mal couverts par les normes génériques.

Analyse des tendances

L'analyse de l'évolution d'un paramètre au fil du temps permet de détecter les défauts naissants avant qu'ils n'atteignent des seuils d'alarme. Cette méthode s'applique à la valeur RMS globale, aux composantes fréquentielles individuelles, aux paramètres statistiques (facteur de crête, kurtosis) et aux métriques dérivées de l'enveloppe. La pente de la courbe de tendance, et plus particulièrement tout changement brutal de pente, constitue le principal facteur de décision.

Les méthodes vont de la simple inspection visuelle des graphiques chronologiques au contrôle statistique des processus (CUSUM, EWMA) et aux modèles de durée de vie restante basés sur la régression. Pour les machines critiques, la combinaison de plusieurs paramètres d'évolution dans un seul " indice de santé " offre une vision plus complète que l'utilisation d'un seul paramètre.

7. Détection et identification des défauts

Traduire les pics spectraux, les formes d'onde et les paramètres statistiques en diagnostics de pannes spécifiques.

7.1 Diagnostic des roulements à éléments roulants

Les roulements à éléments roulants sont le composant le plus fréquemment surveillé dans les programmes de vibration marine. Chaque emplacement de défaut produit une fréquence caractéristique déterminée par la géométrie du roulement et la vitesse de l'arbre.

Fréquences des défauts

La fréquence de la bague extérieure est toujours la plus basse des deux fréquences de bague (BPFO ≈ 0,4 · N · f_arbre en règle générale approximative) et la fréquence de la bague intérieure la plus élevée (BPFI ≈ 0,6 · N · f_arbre) ; ensemble, elles totalisent N · f_arbre — un contrôle de cohérence pratique.

Étapes de la progression des défauts

1. Début — légère augmentation du plancher de bruit haute fréquence (bande ultrasonique, > 20 kHz). Aucun pic discret pour l'instant. Détectable uniquement avec des techniques spécialisées haute fréquence (émission acoustique, énergie de choc).
2. Des fréquences de défauts discrètes apparaissent — les fréquences caractéristiques des roulements (BPFO, BPFI, etc.) deviennent visibles dans le spectre d'enveloppe ou le spectre d'accélération de la bande haute fréquence.
3. Des harmoniques et des bandes latérales se développent — Les harmoniques de fréquence de défaut augmentent ; des bandes latérales de modulation à la vitesse de l'arbre apparaissent autour des fréquences de roulement.
4. Élargissement et augmentation — le bruit de fond augmente dans la bande de fréquence des roulements ; l’accélération et la vitesse RMS globales commencent à augmenter ; le facteur de crête peut commencer à diminuer à mesure que le contenu aléatoire augmente.
5. Dommages avancés — Des vibrations aléatoires à large bande prédominent ; les niveaux de déplacement augmentent ; les températures s’élèvent ; un bruit audible se fait entendre. Une défaillance est imminente.

L'analyse d'enveloppe en pratique

Filtrez le signal d'accélération brut par un filtre passe-bande dans la plage 2–8 kHz (ou autour de la fréquence de résonance la plus élevée induite par le roulement — à identifier par un essai d'impact ou directement dans le spectre). Calculez l'enveloppe de la transformée de Hilbert. Appliquez une FFT à cette enveloppe. Si vous observez des pics à BPFO, BPFI, BSF ou FTF (et leurs harmoniques), vous avez identifié avec certitude un défaut de roulement.

7.2 Défauts d'engrenage et problèmes d'arbre

Diagnostic des engrenages

La fréquence fondamentale d'engrènement (FGE) est égale au nombre de dents multiplié par la fréquence de rotation de l'arbre. Un engrenage en bon état produit un pic d'engrènement net avec de faibles bandes latérales. Les problèmes naissants se manifestent par une augmentation de l'amplitude d'engrènement, un élargissement des bandes latérales espacées à la fréquence de rotation de l'arbre de l'engrenage endommagé, et finalement la génération d'harmoniques supérieures de la FGE.

Problèmes d'arbre et d'accouplement

Problèmes liés à la roue/à l'écoulement

Fréquence de passage des pales (BPF) = nombre de pales × fréquence de l'arbre. Une BPF élevée et ses harmoniques indiquent un endommagement de la roue, des problèmes de jeu diffuseur-roue ou une distorsion de l'écoulement à l'admission. La cavitation produit un bruit large bande haute fréquence — une signature sonore « crépitante » au-dessus de 2 kHz avec un kurtosis élevé. La recirculation à faible débit crée une instabilité aléatoire basse fréquence. Sur les navires, il faut se rappeler que l'hélice elle-même produit une vibration au rythme des pales qui se propage à travers la structure (voir Section 3.2).

7.3 Évaluation de la sévérité et pronostic

Détecter un défaut ne représente que la moitié du travail. L'équipe de maintenance doit savoir à quelle vitesse le défaut progresse et combien de temps La machine peut continuer à fonctionner en toute sécurité.

Métriques de sévérité

• Amplitude du pic de fréquence du défaut par rapport à sa valeur de base
• Taux de variation de cette amplitude (pente de la tendance)
• Nombre et intensité des harmoniques et des bandes latérales
• Progression du facteur de crête et du kurtosis
• Vitesse ou accélération RMS globale par rapport aux limites de la zone ISO

Méthodes pronostiques

Une simple tendance avec extrapolation linéaire ou exponentielle donne une estimation approximative de la durée de vie restante. Des approches plus sophistiquées incluent des modèles de dégradation physiques (p. ex. propagation d'écaillage sous contrainte hertzienne) et des modèles pilotés par les données entraînés sur des jeux de données de fonctionnement jusqu'à la défaillance. Dans les deux cas, les prédictions doivent comporter des intervalles de confiance explicites — une estimation ponctuelle de « 42 jours restants » est bien moins utile que « 30 à 60 jours avec un niveau de confiance de 90 % ».

8. Alignement et équilibrage

Les deux actions correctives qui éliminent la plus grande part des problèmes de vibrations sur les équipements rotatifs marins.

8.1 Alignement d'arbre

Le défaut d'alignement entre arbres accouplés est l'une des trois principales causes de vibrations dans les machines marines (avec le balourd et l'usure des paliers). Il engendre des contraintes excessives sur les paliers, les joints d'étanchéité et les accouplements, et produit une signature vibratoire caractéristique dominée par deux fois la vitesse de rotation de l'arbre.

Types de désalignement

Alignement statique vs. dynamique

L'alignement statique est mesuré lorsque la machine est froide et à l'arrêt. L'alignement dynamique (en fonctionnement) peut différer sensiblement en raison de la dilatation thermique, de la déflexion des fondations sous charge et des contraintes de tuyauterie qui se développent avec la température et la pression. Un groupe électrogène diesel, par exemple, peut se dilater de 1 à 2 mm verticalement au centre de l'accouplement lorsque le moteur atteint sa température de fonctionnement. Sur les navires, une contrainte supplémentaire s'ajoute : la déflexion de la coque selon l'état de chargement et de ballast modifie l'alignement de la ligne d'arbres entre le voyage en charge et le voyage sur lest.

Les systèmes d'alignement laser calculent les décalages à froid pour compenser la dilatation thermique prévue, de sorte que l'alignement soit correct à la température de fonctionnement plutôt qu'à température ambiante.

Pied mou

Si un ou plusieurs pieds de la machine ne sont pas correctement en contact avec la fondation, le serrage du boulon de fixation déforme le châssis, modifie l'alignement des paliers et altère les caractéristiques vibratoires en fonction de la charge. La détection du pied mou est la première étape avant toute procédure d'alignement : desserrez chaque boulon tour à tour et mesurez le déplacement à l'aide d'un comparateur ou d'un système laser. Corrigez ensuite avec des cales de précision.

8.2 Théorie de l'équilibrage

Un balourd crée une force centrifuge qui tourne avec l'arbre, produisant des vibrations à une fréquence de 1 × tr/min. Cette force étant proportionnelle à ω², un rotor qui vibre modérément à basse vitesse peut s'avérer destructeur à haute vitesse.

Types de balourd

• Statique — un seul point lourd ; le rotor se stabiliserait avec le côté lourd vers le bas, sur des arêtes de couteau. Un seul plan de correction suffit.
• Couple — deux masses égales, séparées par un angle de 180° et situées dans des plans axiaux différents. Aucun balourd statique, mais le rotor oscille en rotation. Deux plans de correction sont nécessaires.
• Dynamique — Cas général : combinaison d’effets statiques et de couples. Nécessite toujours une correction sur deux plans pour une élimination complète.

Qualité d'équilibrage — ISO 21940-11 (anciennement ISO 1940-1)

ISO 21940-11 définit le balourd résiduel admissible en fonction de la masse du rotor et de la vitesse de service, exprimé sous la forme d'un grade de qualité d'équilibrage G. La valeur du grade est égale au produit e_par · ω en mm/s, où e_par est le balourd spécifique admissible (déplacement du centre de masse par rapport à l'axe de l'arbre) et ω la vitesse angulaire à la vitesse de service. En unités pratiques :

8.3 Équilibrage sur site

L'équilibrage sur site corrige le balourd dans les paliers et supports propres à la machine, dans les conditions réelles de fonctionnement. Cette méthode est presque toujours préférable au démontage du rotor pour un équilibrage en atelier lorsque le balourd est dû à l'encrassement, à l'érosion ou à une déformation thermique plutôt qu'à un défaut de fabrication.

Procédure à un seul plan (méthode des coefficients d'influence)

1. Mesurer l'amplitude et la phase initiales des vibrations à 1× RPM (passage de référence).
2. Fixez une masse d'essai connue à une position angulaire connue sur le rotor.
3. Faites fonctionner la machine et mesurez à nouveau les vibrations (passage d'essai).
4. Calculer le coefficient d'influence : la variation de vibration produite par une unité de masse à ce rayon.
5. Calculer la masse et l'angle de correction qui permettront d'annuler les vibrations (arithmétique vectorielle).
6. Retirez la masse d'essai, installez la masse de correction, vérifiez par un essai final.

L'équilibrage à deux plans suit la même logique mais résout un système 2×2 de coefficients d'influence, permettant une correction simultanée des composantes statiques et de couple.

Défis spécifiques au milieu marin

• Mouvement du navire — Les vibrations de fond dues aux vagues et au moteur peuvent masquer le signal 1×. Solution : effectuer une moyenne des mesures sur plusieurs tours, programmer les mesures par temps calme ou au port.
• Accès limité — Les plans de correction peuvent se trouver à l'intérieur d'enceintes. Une planification préalable et des méthodes de fixation des poids sur mesure sont souvent nécessaires.
• effets thermiques — les machines équilibrées à froid peuvent développer un balourd supplémentaire à la température de fonctionnement en raison de la dilatation différentielle. Dans l'idéal, vérifiez l'équilibrage à la température de fonctionnement normale.

8.4 Autres approches de réduction des vibrations

Lorsque l'équilibrage et l'alignement ne permettent pas de ramener les vibrations à des niveaux acceptables, plusieurs autres techniques sont disponibles.

Modification de la source

Repenser ou modifier le composant pour réduire la force d'excitation — par exemple, optimiser l'écart entre la roue et le diffuseur d'une pompe, améliorer les tolérances de fabrication ou sélectionner une vitesse de fonctionnement plus éloignée d'une vitesse critique.

Modifications de la rigidité et de l'amortissement

Le renforcement d'une fondation décale sa fréquence propre par rapport à la fréquence d'excitation. L'ajout d'amortissement (traitements par couche contrainte, supports viscoélastiques) réduit l'amplification à la résonance. Ces deux approches peuvent être appliquées après l'installation, bien que le renforcement des fondations d'un navire soit limité par le poids de la structure.

Isolation des vibrations

Les supports élastiques (caoutchouc, ressort, air) découplent la machine de la structure de la coque. L'isolation devient efficace lorsque la fréquence d'excitation dépasse environ √2 × la fréquence propre du support. Les isolateurs marins doivent également résister aux charges dues aux mouvements du navire et tolérer les atmosphères corrosives.

Absorbeurs et amortisseurs accordés

Un amortisseur de masse accordé (AMA) — un petit système secondaire masse-ressort accordé sur la fréquence problématique — absorbe l'énergie de la structure principale à cette fréquence spécifique. Efficace pour les problèmes à bande étroite tels qu'une résonance de pont excitée par un générateur ou par la fréquence de passage des pales d'hélice. L'inconvénient est que chaque AMA ne traite qu'une seule fréquence.

9. Technologies émergentes

Où se dirige le diagnostic des vibrations marines ? Capteurs sans fil, informatique de périphérie, apprentissage automatique et chemin vers la maintenance autonome.

9.1 IA et apprentissage automatique

L'apprentissage automatique transforme le diagnostic des vibrations, passant de règles définies manuellement à une reconnaissance de formes basée sur les données. Les applications les plus immédiates sont la classification automatisée des défauts et la prédiction de la durée de vie restante.

Classification

Les réseaux de neurones convolutifs (CNN) entraînés sur des ensembles de données de vibrations étiquetées peuvent classifier les défauts de roulements, d'engrenages, de balourds et de défauts d'alignement avec une précision comparable à celle d'analystes expérimentés, à condition que les données d'entraînement couvrent les conditions de fonctionnement réelles. L'apprentissage par transfert et l'adaptation de domaine permettent de pallier le problème courant du manque de données marines étiquetées en partant de modèles entraînés sur des ensembles de données industriels et en les affinant avec des données embarquées.

Détection d'anomalies

Les auto-encodeurs et les auto-encodeurs variationnels apprennent une représentation compressée des vibrations normales. Lorsqu'une nouvelle mesure s'écarte de la distribution apprise, le système la signale comme anormale, sans nécessiter d'exemples préalables pour chaque type de défaut possible. Ceci est particulièrement précieux pour les modes de défaillance rares.

Jumeaux numériques

Un jumeau numérique est un modèle physique ou hybride d'une machine qui fonctionne en parallèle de la machine réelle, continuellement mis à jour avec les données des capteurs. Les écarts entre les prédictions du modèle et les mesures réelles indiquent des conditions internes en évolution. Les jumeaux numériques permettent la simulation de scénarios (« que se passe-t-il si nous augmentons la vitesse de 5 % ? ») et un pronostic plus fiable car ils intègrent la physique plutôt que de reposer uniquement sur l'extrapolation statistique.

9.2 Capteurs sans fil et informatique en périphérie

Les capteurs de vibrations sans fil ont atteint une maturité telle que la durée de vie des piles dépasse cinq ans, que la fiabilité des communications est suffisante pour une surveillance non critique pour la sécurité et que le traitement embarqué permet au capteur de calculer des paramètres statistiques localement, en ne transmettant que des résumés et des alarmes plutôt que des formes d'ondes brutes. Cela réduit considérablement les coûts d'installation - pas de câblage, pas de conduit, pas de boîte de jonction - et permet de surveiller à moindre coût des centaines de machines auxiliaires qui n'étaient pas surveillées auparavant.

L'informatique de périphérie (Edge Computing) déploie la puissance de traitement au plus près du capteur, permettant la génération d'alarmes en temps réel, le calcul FFT local et même l'inférence par réseau neuronal sans dépendre d'une connexion au cloud terrestre. Ceci est crucial pour les navires naviguant pendant des jours, voire des semaines, avec une bande passante satellitaire limitée.

9.3 Diagnostic autonome et intégration

La trajectoire à long terme s'oriente vers des systèmes qui détectent, diagnostiquent et agissent avec une intervention humaine minimale :

• Capteurs à auto-étalonnage qui vérifient leur propre état de santé et compensent les dérives.
• Diagnostic automatique des pannes Intégré au système de maintenance planifiée du navire, un système de détection des défauts de roulement génère automatiquement un ordre de travail, vérifie l'inventaire des pièces de rechange et suggère une fenêtre de maintenance.
• Analyses au niveau de la flotte — la comparaison du même type d'équipement sur l'ensemble d'une flotte permet d'identifier des problèmes systémiques (un lot défectueux de roulements, une résonance liée à la conception) que la surveillance d'un seul navire ne permettrait pas de détecter.
• Fusion multiparamétrique — La combinaison des données de vibration, d'analyse d'huile, de thermographie et de performance dans un seul indice de santé offre une évaluation de l'état plus fiable que n'importe quelle technique prise individuellement.

Se préparer à l'adoption

La technologie seule ne suffit pas. Son adoption réussie nécessite le développement des compétences de la main-d'œuvre (formation à la culture des données pour les ingénieurs habitués aux outils mécaniques, et non aux algorithmes), la planification de la cybersécurité (les systèmes de surveillance connectés constituent une surface d'attaque) et une approche progressive : réaliser un projet pilote sur quelques navires, prouver sa valeur, puis étendre la solution.