Comprendre les vibrations axiales dans les machines rotatives
Vibration axiale (également appelée vibration longitudinale ou vibration de poussée) est le mouvement de va-et-vient d'un rotor dans la direction parallèle à son axe de rotation. Où vibrations latérales Alors que le mouvement latéral est perpendiculaire à l'arbre, la vibration axiale correspond au déplacement de l'arbre vers l'intérieur et vers l'extérieur sur toute sa longueur, un peu comme un piston. Son amplitude est généralement inférieure à celle vibration radiale, mais elle est très révélatrice d'une famille spécifique de défauts — surtout désalignement, palier de butée les problèmes et les dysfonctionnements liés au fonctionnement des pompes et des compresseurs. Un analyste expérimenté considère cela comme un élément indispensable, et non facultatif, d'un ensemble complet de mesures.
1. Caractéristiques et mesure
Direction et mouvement
Les vibrations axiales se produisent le long de l'axe central de l'arbre :
- Le mouvement est parallèle à l'axe de rotation.
- Le rotor effectue un mouvement de va-et-vient.
- Elle est généralement mesurée au niveau des paliers ou des extrémités d'arbre.
- Son amplitude est généralement inférieure à celle des vibrations radiales, mais, lorsqu'elle est présente, elle est bien plus révélatrice sur le plan diagnostique.
Configuration de la mesure
Pour détecter un mouvement axial, il faut placer les capteurs de manière réfléchie :
- Orientation du capteur : un accéléromètre ou transducteur de vitesse monté parallèlement à l'axe de l'arbre.
- Emplacements courants : embouts de palier, capots de moteur ou paliers de butée.
- Capteurs de proximité : un sonde de proximité placé face à l'extrémité de l'arbre, il permet de mesurer directement la position axiale.
- Importance : Souvent négligé mais essentiel pour un diagnostic complet des machines
2. Principales causes des vibrations axiales
Désalignement — la cause la plus fréquente
Désalignement de l'arbre, et plus particulièrement le désalignement angulaire, est la principale source de vibrations axiales :
- Symptôme: vibration axiale élevée (1× ou 2×) à vitesse de fonctionnement.
- Mécanisme: Un décalage angulaire entre les arbres couplés génère une force axiale oscillante qui se transmet par l'accouplement à chaque tour.
- Indicateur de diagnostic : Une amplitude axiale supérieure à 50 % de l'amplitude radiale indique clairement un désalignement.
- Relation de phase : les mesures axiales aux extrémités motrice et non motrice présentent généralement un décalage d'environ 180° phase.
Défauts des paliers de butée
Problèmes avec le palier de butée qui fixe la position axiale de l'arbre génère des vibrations axiales caractéristiques :
- Usure ou détérioration des paliers de butée.
- Palier de butée insuffisant précharge.
- Défaillance du palier de butée entraînant un jeu axial excessif.
- Problèmes de lubrification spécifiques aux surfaces d'appui.
Forces hydrauliques ou aérodynamiques
Les forces de fonctionnement dans les pompes, les compresseurs et les turbines génèrent des charges axiales :
- Pompe cavitation: L'effondrement des bulles de vapeur génère des forces de choc axiales.
- Déséquilibre de la roue : Un écoulement asymétrique génère une poussée axiale oscillante.
- Turbulence dans un écoulement axial : dans les compresseurs axiaux et les turbines.
- En plein essor: Un pompage du compresseur provoque de violentes vibrations axiales.
- Recirculation: fonctionnement hors conditions nominales provoquant des instabilités de débit.
jeu mécanique
Des jeux excessifs permettent au rotor de se déplacer axialement :
- Surfaces de la butée d'usure usées.
- Composants d'accouplement desserrés.
- Retenue axiale insuffisante au niveau du palier.
- Entretoises ou cales usées.
Problèmes de couplage
L'usure de l'accouplement ou une mauvaise installation génère des vibrations axiales :
- Dents d'accouplement à engrenages usées permettant un jeu axial.
- Raccord flexible mal installé accouplements.
- Erreurs de longueur des entretoises d'accouplement.
- Les angles des joints universels générant des composantes de force axiale.
Problèmes liés à la dilatation thermique
Les différences de dilatation thermique peuvent générer des forces axiales :
- La dilatation thermique des tuyauteries exerce une poussée ou une traction sur les équipements.
- Dilatation thermique inégale entre les machines couplées.
- Tassement des fondations perturbant l'alignement axial.
3. Importance diagnostique
Diagnostic du désalignement
Les vibrations axiales constituent le meilleur indicateur d'un désalignement :
- Règle générale : Si les vibrations axiales dépassent 50 % des vibrations radiales, il faut suspecter un désalignement.
- Contenu fréquentiel : principalement 2× pour un désalignement parallèle-translatif ; à la fois 1× et 2× pour un désalignement angulaire.
- Analyse de phase : Une différence de phase de 180° entre les mesures axiales aux extrémités opposées confirme un désalignement.
- Confirmation : forte vibration axiale qui diminue fortement après le réglage de précision alignement de l'arbre prouve le diagnostic.
Diagnostic des pompes et des compresseurs
Pour les équipements rotatifs destinés au traitement des fluides :
- Cavitation : vibrations axiales aléatoires à large bande et à haute fréquence.
- Déséquilibre hydraulique : 1× vibration axiale due à une charge asymétrique sur la roue.
- Surtension: oscillation axiale de grande amplitude et de basse fréquence.
- Fréquence de passage des aubes: une composante axiale aux fréquences de passage des aubes indique des problèmes de circulation.
Évaluation de l'état des roulements
- Une augmentation soudaine des vibrations axiales peut indiquer une détérioration du palier de butée.
- La présence de vibrations axiales aux fréquences caractéristiques d'un défaut du palier de butée confirme l'existence d'un problème au niveau du palier.
- Un flottement axial excessif mesuré avec des sondes de proximité indique une usure des roulements
4. Niveaux et normes acceptables
Directives générales
Les normes générales relatives aux vibrations des machines — les normes modernes ISO 20816 Ces normes, qui ont remplacé la norme ISO 10816, portent principalement sur les vibrations radiales ; les limites axiales sont donc généralement définies par rapport à celles-ci :
- Par rapport au radial : Dans des conditions normales, les vibrations axiales devraient rester inférieures à 50 % des vibrations radiales.
- Limites absolues : généralement entre 25 et 50 % de la limite radiale prévue pour la catégorie de la machine.
- Comparaison des valeurs de référence : une hausse de 50 à 100 % par rapport à ligne de base mérite d'être examiné, quelle que soit sa valeur absolue.
Normes spécifiques aux équipements
- API 610 (pompes centrifuges) : précise les limites de vibration tant radiales qu'axiales.
- API 617 (compresseurs centrifuges) : comprend des critères d'acceptation des vibrations axiales.
- Turbomachines : souvent surveillés en continu à l'aide de capteurs dédiés de position axiale et de vibrations axiales, souvent pour API 670 pratiques en matière de protection des machines.
5. Méthodes de correction et d'atténuation
En cas de désalignement
- Alignement précis des arbres : utiliser des outils d'alignement laser pour corriger les défauts d'alignement angulaires et parallèles.
- Correction du pied mou : Assurez-vous que chaque pied de fixation repose bien à plat avant de procéder à l'alignement — voir pied mou.
- Marge de dilatation thermique : tenir compte de la dilatation due à la température de fonctionnement lors de la définition des objectifs d'alignement à froid.
- Déchargement des contraintes de tuyauterie : éliminer les forces exercées par les tuyauteries qui provoquent un désalignement des équipements.
En cas de problèmes liés aux paliers de butée
- Remplacer les pièces usées du palier de butée.
- Vérifiez que la précharge et les jeux des paliers de butée sont corrects.
- Veillez à ce que les surfaces d'appui soient correctement lubrifiées.
- Vérifiez que l'installation est correcte et que les cales sont bien placées.
Pour les forces axiales liées au processus
- Éliminer la cavitation : augmenter la pression d'entrée, réduire la température du fluide, éliminer les obstructions à l'entrée.
- Optimiser le point de fonctionnement : veillez à ce que les pompes et les compresseurs fonctionnent dans les limites de leur plage de fonctionnement nominale.
- Équilibrer les forces hydrauliques : utiliser des trous d'équilibrage ou des ailettes arrière sur les roues.
- Contrôle anti-pompage : mettre en place une protection efficace contre le pompage sur les compresseurs.
En cas de problèmes mécaniques
- Remplacer les accouplements et leurs composants usés.
- Resserrez les connexions mécaniques desserrées.
- Vérifiez que les dimensions des entretoises et des cales sont correctes.
- Installez les accouplements conformément aux spécifications du fabricant.
6. Bonnes pratiques en matière de mesure
Installation du capteur
- Fixation solide : privilégiez les tiges ou les adhésifs aux aimants pour les mesures axiales lorsque cela est possible — voir montage du capteur.
- Vérifier l'orientation : Assurez-vous que le capteur est bien parallèle à l'axe de l'arbre et qu'il n'est pas incliné.
- Les deux extrémités : mesurer les vibrations axiales aux deux extrémités (côté entraînement et côté opposé) afin de pouvoir comparer les phases.
- Capteurs de proximité : Pour les équipements critiques, installez des capteurs de position axiale permanents.
Collecte de données
- Veillez à toujours recueillir les données axiales en plus des mesures radiales horizontales et verticales.
- Notez la relation de phase entre les mesures axiales effectuées à différents emplacements.
- Comparez les rapports entre les amplitudes axiale et radiale.
- Tendance les vibrations axiales au fil du temps afin de détecter rapidement les problèmes naissants.
7. Vibrations axiales et radiales
Il est essentiel de bien distinguer ces deux directions pour identifier les défauts :
| Aspect | Vibration radiale (latérale) | Vibration axiale |
|---|---|---|
| Direction | Perpendiculaire à l'axe de l'arbre | Parallèle à l'axe de l'arbre |
| Amplitude typique | Plus haut | Inférieur (généralement < 50 % de la valeur radiale) |
| Causes principales | Déséquilibrer, arbre courbé, défauts des roulements | Désalignement, problèmes liés aux paliers de butée, forces de processus |
| Valeur diagnostique | État général des machines | Spécifique aux problèmes de désalignement et de poussée |
| Priorité de surveillance | Objectif principal | Secondaire mais essentiel pour le diagnostic |
8. Diagnostic pratique sur le terrain
Sur le terrain, l'essai décisif de vibration axiale est de nature comparative : il consiste à mesurer l'amplitude et la phase dans le sens axial aux deux extrémités du roulement et à les comparer aux mesures radiales. Un appareil portable à deux canaux analyseur de vibrations tels que le Balanset-1A est parfaitement adapté à cela, car ses deux canaux permettent de capturer les deux extrémités simultanément grâce à un tachymètre référence de phase — mettant en évidence le décalage de phase axial caractéristique de 180° dû au désalignement, ainsi que le rapport 1×/2× harmonique dans le FFT spectre, immédiatement visible. Cette même comparaison permet d'éviter une erreur coûteuse : une forte vibration radiale de 1× est facilement attribuée à déséquilibrer, mais une forte composante axiale correspondante indique plutôt un désalignement, que équilibrage permettra de résoudre le problème. Vérifier le sens du mouvement dominant avant de se servir des poids d'essai, c'est ce qui fait la différence entre une réparation durable et un après-midi perdu.
9. Applications industrielles
La surveillance des vibrations axiales est particulièrement utile pour :
- Pompes centrifuges : détection des forces hydrauliques et de la cavitation.
- Compresseurs: surveillance des paliers de butée et détection du pompage.
- Turbines : les forces axiales exercées sur les aubes et l'état des paliers de butée.
- Équipements couplés : vérification de l'alignement et de l'état de l'accouplement.
- Équipements de traitement : surveillance des conditions d'écoulement.
Bien que les vibrations axiales soient souvent éclipsées par le signal radial, plus visible, les analystes expérimentés en apprécient la valeur diagnostique. De très nombreux défauts que les mesures radiales seules ne permettraient pas de détecter sont mis en évidence par le profil axial — et c'est précisément pour cette raison qu'une analyse approfondie surveillance de l'état Ce programme mesure toujours les trois directions.
