Comprendre les vibrations asynchrones
Vibration asynchrone (également appelée vibration non synchrone) est Vibrations à des fréquences qui sont pas multiples entiers exacts — ordres — de la vitesse de rotation de l'arbre. Contrairement à vibration synchrone depuis déséquilibrer ou désalignement (qui se produit toujours à une vitesse de 1×, 2× ou 3× la vitesse de fonctionnement), des vibrations asynchrones apparaissent à des fréquences déterminées par la géométrie des composants, par des effets électromagnétiques ou par des sources externes, plutôt que par la rotation de l'arbre lui-même.
Savoir distinguer le contenu synchrone du contenu asynchrone est l'une des compétences fondamentales en matière de machines diagnostics, car cette distinction permet de restreindre immédiatement la recherche de la cause. Les composantes synchrones indiquent des problèmes liés à la masse en rotation ou à la géométrie du rotor ; les composantes asynchrones, quant à elles, indiquent des défauts au niveau des éléments roulants, des pannes électriques ou des influences provenant de l'extérieur du rotor. Une classification correcte dès le début évite à l'analyste, par exemple, d'équilibrer une machine dont le véritable problème réside en réalité dans un roulement défectueux.
1. Synchrone ou asynchrone : la distinction fondamentale
La frontière est entièrement définie par le commande — le rapport entre la fréquence de vibration et la fréquence de rotation. Un pic correspondant à un ordre entier exact est synchrone et verrouillé sur la rotation de l'arbre ; un pic correspondant à un ordre fractionnaire est asynchrone et suit une autre cadence.
- Synchrone (ordres entiers) : 1,00×, 2,00×, 3,00× — déséquilibre, désalignement, a arbre courbé, certains relâchement des modèles.
- Asynchrone (ordres non entiers) : 2,47×, 3,57×, 0,45× — défauts des roulements, lignes électriques, instabilités sous-synchrones et sources externes.
Une sous-catégorie utile est celle de subharmonique - l'énergie ci-dessous 1× (par exemple, un pic de 0,5× dû à un jeu important ou à un frottement). Les sous-harmoniques constituent une forme de contenu asynchrone et s'ajoutent aux instabilités sous-synchrones abordées plus loin.
2. Sources courantes de vibrations asynchrones
Défauts des roulements à éléments roulants (les plus courants)
La source de vibrations asynchrones de loin la plus importante :
- Fréquences de défaut des roulements: BPFO, BPFI, BSF et FTF dépendent de la géométrie du roulement et ne correspondent jamais à des multiples exacts de la vitesse de l'arbre.
- Exemple: Un moteur tournant à 1 800 tr/min (30 Hz) peut présenter une fréquence BPFO à 107 Hz — soit 3,57 fois la vitesse de l'arbre, ce qui n'est manifestement pas un nombre entier.
- Valeur diagnostique : Une fréquence asynchrone fait immédiatement penser à un problème de roulement.
- Détection : analyse d'enveloppe c'est la principale méthode utilisée pour mettre en évidence ces composants, souvent bien avant qu'ils n'apparaissent dans le spectre ordinaire.
Fréquences électriques
Vibrations électromagnétiques indépendantes de la vitesse de rotation de l'arbre :
- 2× la fréquence du réseau : 120 Hz sur un réseau de 60 Hz ou 100 Hz sur un réseau de 50 Hz, quelle que soit la vitesse du moteur.
- Exemple: Un moteur bipolaire de 60 Hz tourne à environ 3 550 tr/min (59,2 Hz), mais ses vibrations correspondant au double de la fréquence du réseau se situent à 120 Hz — soit 2,03 fois la vitesse de l'arbre, ce qui est asynchrone.
- Fréquence de passage des pôles: n'est pas forcément un multiple entier exact.
- Harmoniques de l'EFV : Les fréquences de commutation de l'entraînement n'ont aucun rapport avec la vitesse de rotation de l'arbre.
Sources externes
- Équipements adjacents : les vibrations transmises par le sol depuis les machines situées à proximité.
- Bâtiment ou fondation : résonances structurelles à des fréquences fixes.
- Pulsations du processus : ondes de pression se propageant dans des canalisations.
- Résonances acoustiques : ondes stationnaires dans les conduits ou les enceintes.
Instabilités subsynchrones
- Tourbillon d'huile: généralement entre 0,42 et 0,48 fois la vitesse de l'arbre (pas exactement la moitié).
- Fouet à huile : s'enclenche sur le rotor fréquence naturelle, et non à la vitesse de rotation.
- Instabilités des joints : souvent à des fréquences déterminées par la dynamique des fluides. Ce sont là des exemples classiques de instabilité du rotor.
Vibrations aléatoires
- Cavitation: effondrement aléatoire de bulles, large bande.
- Turbulence : fluctuations aléatoires du débit.
- Frottement: un contact chaotique générant une vibration non périodique.
3. Identification dans les spectres
Caractéristiques du spectre
- Fréquence fixe : Apparaît à la même valeur Hz indépendamment des changements de vitesse
- Commandes décalées : Si la vitesse varie, la fréquence asynchrone modifie son rapport (car ce rapport est égal à la fréquence divisée par la vitesse de l'arbre).
- Diagramme en cascade : les composants asynchrones apparaissent sous la forme vertical lignes, composants synchrones tels que diagonale les lignes — le moyen le plus intuitif de les distinguer.
- Spectre d'ordre : les pics asynchrones apparaissent à des ordres non entiers (2,47×, 3,57×, etc.).
Procédure de diagnostic
- Déterminer la vitesse de fonctionnement à partir du pic 1× ou, de manière plus fiable, d’un tachymètre.
- Calculer les ordres en divisant chaque fréquence de crête par la fréquence de la vitesse de fonctionnement.
- Nombre entier de commandes (1,00×, 2,00×, 3,00×) sont synchrones.
- Ordres non entiers (2,47×, 3,57×) sont asynchrones.
- Correspondance avec les types de défauts en comparant les fréquences calculées à celles des roulements, des lignes électriques et autres éléments similaires.
Sur les machines à vitesse variable, cette séparation est plus nette sous analyse des commandes, qui recalibre l'axe des fréquences en fonction de multiples de la vitesse de fonctionnement, de sorte que les pics synchrones restent immobiles tandis que les pics asynchrones se déplacent.
4. Importance diagnostique
Défauts de roulement
- Des pics asynchrones au niveau de BPFO, BPFI ou BSF suggèrent immédiatement un problème de roulement.
- Calculez les fréquences théoriques des roulements et comparez-les aux pics observés.
- Une concordance d'environ ±5 % confirme un défaut du roulement.
- Harmoniques et bandes latérales la fréquence des défauts vient confirmer cette conclusion.
Vous pouvez court-circuiter l'opération arithmétique à l'aide d'un Calculateur de fréquence des défauts de roulements, qui renvoie les valeurs BPFO, BPFI, BSF et FTF directement à partir de la géométrie du roulement et de la vitesse de l'arbre.
Problèmes électromagnétiques
- Une ligne à 2× la fréquence du réseau (100/120 Hz) indique stator ou vide d'air problèmes.
- La fréquence reste constante, quelles que soient les variations de vitesse.
- L'analyse du courant du moteur confirme l'origine électrique.
Vibrations externes
- Des pics qui ne correspondent ni à la vitesse de la machine ni aux fréquences des roulements.
- Ils peuvent coïncider avec la vitesse de fonctionnement des équipements situés à proximité.
- Il convient d'enquêter sur la source du problème, puis de procéder à son isolation ou à sa correction.
5. Techniques d'analyse des vibrations asynchrones
Analyse de l'enveloppe
- La principale technique de détection des défauts des roulements.
- Accentue les chocs répétitifs qui produisent un contenu asynchrone.
- Supprime les composantes synchrones puissantes de basse fréquence.
- Révèle clairement les fréquences des roulements dans le résultat spectre d'enveloppe.
Accélération à haute fréquence
- Les défauts asynchrones des roulements se situent souvent dans la gamme des hautes fréquences (au-dessus de 1 kHz).
- Utilisation accéléromètres avec une valeur Fmax élevée.
- Cela permet de détecter les impacts et les résonances à haute fréquence que les mesures de vitesse à basse fréquence ne permettent pas de capter.
Analyse du cepstre
- Analyse du cepstre permet de détecter efficacement les structures périodiques cachées dans les signaux asynchrones.
- Il détecte en une seule fois des familles entières d'harmoniques ou de bandes latérales.
- Particulièrement utile pour les roulements complexes et engrenage signatures.
6. Exemples concrets
Moteur présentant un défaut au niveau du roulement
- Vitesse d'exécution : 1 750 tr/min (29,17 Hz).
- Composants synchrones : 1 fois à 29,17 Hz, 2 fois à 58,34 Hz.
- Composant asynchrone : un pic à 107 Hz (3,67 fois la vitesse de rotation de l'arbre).
- Diagnostic: La fréquence de 107 Hz correspond à la fréquence BPFO calculée → défaut de bague extérieure.
- Confirmation : Le caractère asynchrone confirme qu'il s'agit d'un problème de roulement, et non d'un problème de rotor.
Moteur VFD à vitesse variable
- La vitesse du moteur varie entre 1 200 et 1 800 tr/min.
- Le pic 1× se déplace avec la vitesse (de manière synchrone).
- Le pic à 120 Hz reste stable (asynchrone, 2 fois la fréquence de ligne).
- Diagnostic: une composante électromagnétique provenant de l'alimentation à 60 Hz.
Sur le terrain, cette séparation constitue le travail quotidien d'un analyseur portable. En effet, un instrument tel que le Balanset-1A En mesurant simultanément la vitesse de rotation à l'aide de son tachymètre optique et le spectre de vibrations, il peut déterminer immédiatement si un pic donné est synchrone ou asynchrone, indiquant ainsi d'emblée à l'ingénieur si la solution consiste à équilibrer le rotor ou à remplacer un roulement. La reconnaissance des composantes asynchrones grâce à leurs ordres non entiers, à leur fréquence fixe malgré les variations de vitesse ou à leur signature verticale sur un graphique en cascade permet d'identifier avec précision les défauts de roulements, les problèmes électriques et les influences externes, et indique la marche à suivre pour prendre les mesures correctives appropriées.
