Comprendre la résonance de montage
Résonance de montage est un résonance situation dans laquelle le système de fixation — isolateurs de vibrations, rails de fixation, supports, patins ou l'ensemble de la machine reposant sur ses supports — vibre à l'une de ses propres fréquences naturelles en réaction à l'excitation provoquée par l'équipement rotatif qu'elle supporte. Dans ce cas, l'ensemble de la machine rebondit, oscille ou roule comme un corps rigide sur ses supports, avec des amplitudes bien supérieures à celles que la même force produirait sur une fondation rigide. Ce phénomène est particulièrement courant sur les machines équipées d'isolateurs de vibrations, mais il peut tout aussi bien affecter une installation classique fixée par des boulons lorsque la structure de support ne dispose pas rigidité. Quoi qu'il en soit, il s'agit d'un enjeu central dans la conception des systèmes isolés : il faut soit l'éliminer dès la conception, soit le gérer activement, plutôt que de le découvrir une fois le système en service.
1. Définition : qu'est-ce que la résonance de montage ?
Pour bien comprendre le phénomène de résonance de montage, il faut considérer la machine et ses supports comme un système masse-ressort à part entière. La machine représente la masse ; les isolateurs ou la souplesse de la structure de support constituent le ressort. Comme tout système de ce type, cet ensemble possède des fréquences propres, et si la vitesse de fonctionnement — ou l'une de ses harmoniques — coïncide avec l'une d'entre elles, le vibration forcée est amplifiée. Ce qui distingue la résonance des supports de celle d'un rotor ou d'un arbre, c'est que l'ensemble de la machine se déplace plus ou moins comme un tout : les vibrations mesurées au niveau des supports dépassent largement celles du rotor lui-même. Cette caractéristique indique que le problème réside dans les supports, et non dans le rotor. Elle est étroitement liée à résonance du bâti et résonance structurelle, qui décrivent la même amplification se produisant dans le châssis de la machine ou dans la structure environnante.
2. Fréquences propres du système de fixation
Modes de corps rigide sur les isolateurs
Une machine posée sur des isolateurs de vibrations se comporte comme un corps rigide monté sur des ressorts, et un corps rigide dans l'espace possède six degrés de liberté — il présente donc six fréquences propres de corps rigide.
Modes de translation (trois)
- Rebond vertical : mouvement vertical de haut en bas, généralement à la fréquence la plus basse — entre 5 et 15 Hz environ pour une isolation classique.
- Translations horizontales (X et Y) : des mouvements latéraux, généralement environ 1,5 à 2 fois la fréquence de rebond vertical.
Modes de rotation (trois)
- Rouler: rotation autour de l'axe longitudinal.
- Pas: rotation autour de l'axe transversal.
- Embardée: rotation autour de l'axe vertical.
- Fréquences: généralement entre 10 et 30 Hz, en fonction des dimensions de la machine et de l'emplacement de son centre de gravité.
Modes couplés
- Si les isolateurs ne sont pas disposés symétriquement ou si le centre de gravité n'est pas centré au-dessus d'eux, les modes se couplent.
- La translation et la rotation se produisent alors simultanément.
- Il en résulte un schéma de mouvement complexe.
- Ces modes couplés sont plus difficiles à analyser et à corriger que les cas simples, non couplés.
3. Lorsque se produit une résonance de montage
Résonance du système d'isolation
Le scénario le plus courant, et qui est pour le moins ironique, puisqu'il résulte précisément des isolateurs censés réduire les vibrations :
- Design intent: Les isolateurs sont choisis de manière à ce que leur fréquence propre se situe entre environ un tiers et un cinquième de la vitesse de fonctionnement, ce qui place la machine bien dans la plage d'isolation.
- Problème: Si la machine fonctionne à une vitesse inférieure à sa vitesse nominale, ou si elle passe simplement par la fréquence de l'isolateur lors du démarrage, la force exercée correspond à cette fréquence propre.
- Symptôme: Vibrations intenses à des vitesses proches de la fréquence naturelle de l'isolateur
- Durée: limité à une bande de vitesses spécifique, généralement étroite.
Résonance du rail ou du patin
- Les rails de montage et les châssis de support ont leurs propres modes de flexion.
- Les fréquences typiques varient entre 15 et 50 Hz, en fonction de la portée et de la rigidité.
- L'ensemble oscille sur les rails qui fléchissent.
- C'est courant pour les équipements modulaires et préassemblés livrés en un seul bloc.
Résonance des consoles ou supports
- Les équipements fixés au mur ou au plafond à l'aide de supports sont particulièrement exposés.
- Le support ou le bras de fixation possède une fréquence propre.
- Le mouvement de la machine est amplifié lorsque la vitesse de fonctionnement correspond à celle-ci.
- Le mouvement amplifié peut alors transmettre des vibrations à la structure même du bâtiment.
4. Identification diagnostique
Indicateurs clés
- Amplification : Les vibrations mesurées au niveau du support sont bien plus importantes que celles enregistrées au niveau de la machine — ce qui est caractéristique de ce problème.
- Balancement ou rebond : mouvement visible de l'ensemble de la machine.
- Sensibilité à la vitesse : graves uniquement dans une plage de vitesse restreinte.
- Basse fréquence : généralement entre 5 et 30 Hz pour les systèmes à isolation.
- Relations de phase : Tous les points de fixation se déplacent en phase pour un mode de rebond, ou en déphasage pour un mode de balancement.
Procédure de diagnostic
- Déterminer la fréquence de résonance à partir du pic dans le spectre de vibrations.
- Effectuer un essai par choc sur les supports : un test de choc permet de déterminer la fréquence propre du support indépendamment de la machine en fonctionnement.
- Comparer: Si la fréquence de résonance de fonctionnement coïncide avec la fréquence propre mesurée du support, la résonance du support est confirmée.
- Mesurer plusieurs emplacements afin d'établir le phase relations entre les points de fixation.
- Évaluer la forme modale : déterminer si le mouvement est un mouvement de rebond, de balancement ou un mode couplé.
Une étape cruciale du diagnostic consiste à distinguer un problème lié aux supports d'un problème lié au rotor. Les caractéristiques observées ci-dessus — un mouvement important au niveau des supports, un mouvement modéré du rotor, avec un pic situé à une fréquence structurelle plutôt qu'à la vitesse de rotation — indiquent clairement que le problème provient des supports. Il faut également veiller à ne pas confondre la résonance des supports avec un pied mou, où l'un des supports n'est pas à plat et déforme le cadre ; les deux peuvent coexister et augmenter les vibrations.
5. Solutions
Résonance du système d'isolation
Modifier la rigidité de l'isolateur
- Des isolateurs plus rigides faire passer la fréquence propre au-dessus de la vitesse de fonctionnement.
- Des isolateurs plus souples la réduire en dessous de la plage de démarrage, si l'équipement peut supporter une déformation statique plus importante.
- Règle de sélection : La fréquence de l'isolateur doit être inférieure à un tiers de la vitesse minimale de fonctionnement.
Ajouter un amortissement
- Utilisez des isolateurs avec amortissement intégré amortissement — des supports en élastomère à la place des ressorts en acier nu.
- Ajouter des amortisseurs visqueux ou à friction en parallèle avec les isolateurs.
- L'amortissement permet d'abaisser le pic de résonance même lorsqu'il n'est pas possible d'éliminer la coïncidence de fréquences.
Améliorer l'installation de l'isolateur
- Assurez-vous que chaque isolateur est correctement chargé : aucun ne doit être incliné, coincé ou sans charge.
- Vérifiez que les isolateurs sont adaptés au poids réel de l'équipement, et non à un poids supposé.
- Vérifiez s'il y a des isolateurs grippés ou détériorés qui ont perdu leur rigidité nominale.
- Vérifiez que le placement est symétrique par rapport au centre de gravité afin d'éviter les modes couplés.
Pour la résonance de montage structurel
Renforcer la structure de fixation
- Ajouter des renforts aux rails ou aux patins.
- Augmentez l'épaisseur des étriers ou ajoutez des goussets.
- Réduire la longueur des portées non soutenues.
- Reliez les différents points de fixation entre eux afin qu'ils ne forment qu'un seul ensemble.
Modifier la configuration de montage
- Ajoutez des appuis intermédiaires pour réduire la portée.
- Déplacez les points de fixation vers des parties plus rigides de la structure.
- Utilisez des fixations plus solides.
Comme toutes ces interventions agissent en modifiant une fréquence propre, la structure porteuse rigidité des fondations c'est le levier qu'ils actionnent ; un Calculateur de fréquence propre des fondations permet de vérifier qu'une modification de la raideur éloigne effectivement la fréquence de la vitesse de fonctionnement.
Solutions opérationnelles
- Limitation de vitesse : Évitez un fonctionnement prolongé à la vitesse de résonance.
- Accélération rapide : passer rapidement par la résonance au démarrage afin que l'énergie accumulée soit minime.
- Réduire l'excitation : improve équilibre afin de réduire l'excitation à la fréquence de résonance.
6. Conception de l'isolation et équipements couplés
Conception d'isolation des vibrations
Une bonne conception d'isolation évite toute résonance de montage dès le départ en maintenant les vitesses de fonctionnement bien en deçà des fréquences propres du support :
- Rapport de fréquence : la fréquence de l'isolateur doit satisfaire fisolateur < 0.3 × ffonctionnement minimum.
- Transmissibilité : exactement à la résonance, le transmissibilité peut dépasser 10 — le support amplifie au lieu d'isoler, ce qui va à l'encontre de son objectif.
- Plage de fonctionnement : Pour garantir une isolation efficace, toutes les fréquences de fonctionnement doivent être supérieures à 2 à 3 fois la fréquence de l'isolateur.
- Startup: Un bref passage à forte amplitude par la résonance pendant la phase d'accélération est acceptable à condition qu'il soit de courte durée.
Le choix d'isolateurs répondant à ces critères relève d'un simple calcul de dimensionnement ; un Calculateur de sélection de supports antivibratoires adapte la rigidité du support à la masse et à la vitesse de la machine, et un Calculateur d'isolation contre les vibrations des machines estime l'efficacité d'isolation qui en résulte.
Équipement couplé
Les équipements motorisés montés sur une plaque de base commune posent des difficultés supplémentaires :
- L'ensemble complet présente des modes de corps rigide au niveau de ses supports.
- Le moteur et la machine entraînée transmettent leurs vibrations l'un à l'autre par l'intermédiaire de la plaque de base commune.
- Une résonance peut être provoquée par l'une ou l'autre des machines, quelle que soit celle qui est la plus bruyante.
- Il faut donc le considérer comme un système complet, et non comme deux machines indépendantes.
7. Outils de mesure et d'analyse
Analyse modale
- Analyse modale décrit en détail chaque mode du système de montage.
- Il permet de déterminer la fréquence, l'amortissement et la forme modale de chacun.
- Ces données sont directement prises en compte dans les modifications apportées à la conception.
- Cela peut être réalisé expérimentalement à l'aide de impact testing ou prédites par analyse par éléments finis.
Déformée Opérationnelle (ODS)
- ODS analysis permet de visualiser le tracé réel du mouvement pendant que la machine fonctionne.
- Cela permet de distinguer clairement la résonance du support de celle du rotor.
- Il indique quel mode est activé : rebond, oscillation ou couplage.
- Il indique précisément où il faut ajouter des renforts pour obtenir un résultat optimal.
Sur le terrain, le même appareil portable utilisé pour l'équilibrage de routine facilite grandement ce travail. Un analyseur à deux canaux tel que le Balanset-1A Il mesure l'amplitude et la phase en plusieurs points sur les supports, et sa fonction de test de choc permet de mesurer directement la fréquence propre du support — ce qui permet à un ingénieur de confirmer une résonance suspectée au niveau du support, de déterminer si la solution consiste à renforcer la rigidité du support ou à améliorer son équilibrage, et de vérifier l'efficacité de la correction une fois celle-ci mise en œuvre.
Une résonance au niveau des supports peut générer des vibrations importantes, même sur des machines bien entretenues et bien équilibrées, simplement parce que le problème provient des supports eux-mêmes plutôt que du rotor. Il est essentiel, pour réussir à maîtriser les vibrations dans toute installation d'équipements rotatifs, de bien comprendre les fréquences propres des systèmes de support — en particulier des isolateurs de vibrations — et de veiller à ce qu'elles soient nettement séparées des vitesses de fonctionnement.
