Comprendre l'analyse d'ordre pour les machines à vitesse variable
Analyse des commandes est une technique spécialisée analyse des vibrations conçue pour les machines qui ne fonctionnent pas à une vitesse unique et constante. Au lieu de représenter l'amplitude en fonction d'un axe de fréquence fixe en Hz ou en CPM, elle représente l'amplitude en fonction de ordres — des multiples de la vitesse instantanée de l'arbre vitesse de fonctionnement. Le premier ordre correspond à la vibration à exactement 1× la vitesse de fonctionnement, le deuxième ordre à 2× cette vitesse, et ainsi de suite. En liant l'analyse à l'arbre lui-même plutôt qu'à l'horloge, l'analyse par ordre permet de mettre en évidence les composantes liées à la vitesse, quelle que soit la manière dont la machine accélère ou roule en roue libre.
1. Définition : qu'est-ce qu'un ordre ?
Un commande est une harmonique de la vitesse de rotation fondamentale. Étant donné que de nombreux défauts des machines génèrent des vibrations à des multiples entiers de la vitesse de l'arbre, l'expression du spectre en ordres permet d'associer directement chaque pic à une cause physique. Le premier ordre porte presque toujours déséquilibrer; le 2e ordre est un indicateur classique de désalignement et certaines conditions de desserrage mécanique ; les ordres entiers supérieurs se rapportent à engrenage, girouette ou passe-lame événements liés au nombre d'éléments du rotor. Les ordres non entiers (fractionnaires) signalent sous-synchrone des phénomènes tels que les tourbillons d'huile ou les défauts de courroie. En résumé, l'axe d'ordre est une carte de diagnostic qui se déplace avec le rotor.
2. Pourquoi la FFT standard ne fonctionne pas sur les machines à vitesse variable
Une convention Transformée de Fourier rapide (FFT) échantillonne les vibrations sur une fenêtre fixe de temps et part du principe que la vitesse est constante pendant cette fenêtre. Sur une machine à vitesse constante, cela fonctionne parfaitement. Mais si l'arbre accélère ou ralentit pendant la collecte des données, chaque composante liée à la vitesse dérive à travers le spectre pendant la capture. Son énergie est étalée sur de nombreux intervalles de fréquence adjacents, produisant une bosse large, basse et floue au lieu d'une ligne nette. Un pic de balourd de 1× qui devrait dominer le spectre peut s'aplatir en bruit — impossible à lire avec précision et inutile pour tendance. Ce phénomène de « smearing » repose sur le même mécanisme que celui qui sous-tend fuite spectrale, amplifié par la variation du régime moteur. L'analyse par ordres a été spécialement conçue pour y remédier.
3. La solution : le suivi des ordres
La technique utilisée est suivi de commande, et cela dépend d'une deuxième entrée : une tachymètre (ou « tacho ») qui émet une impulsion par tour de l'arbre. L'analyseur utilise ce train d'impulsions — et non son horloge à quartz interne — comme base de temps. Au lieu d'effectuer des échantillonnages à intervalles fixes (par exemple, toutes les millisecondes), il effectue des échantillonnages à intervalles fixes angulaire à intervalles réguliers (par exemple, à chaque degré de rotation). C'est ce qu'on appelle rééchantillonnage dans le domaine angulaire.
Deux méthodes sont couramment utilisées. Échantillonnage matériel (synchrone) commande le convertisseur analogique-numérique directement à partir d'un multiple verrouillé en phase de l'impulsion tachymétrique, de sorte que chaque tour génère toujours le même nombre d'échantillons. Suivi des ordres par logiciel échantillonne à une fréquence fixe élevée, puis réinterpole numériquement l'enregistrement en pas d'angle égal à l'aide de la synchronisation tachymétrique enregistrée. Dans les deux cas, la transformation obtenue est exprimée en ordres, et non en Hz. Si la machine change de vitesse, la ligne 1× reste dans la raie du premier ordre sous la forme d'un pic haut et étroit — le flou disparaît. Le tachymètre fournit également un phase référence, qui permet à l'analyseur de générer Présager et Nyquist graphiques pendant une phase d'accélération.
Idée clé : l'analyse de l'ordre lie l'acquisition des données à l'arbre angle au lieu de temps, ce qui permet aux vibrations synchronisées avec la vitesse de rester nettes à tous les régimes.
4. Principales applications
L'analyse d'ordre est indispensable dès lors que la vitesse n'est pas constante :
- Essais de véhicules et de moteurs : résoudre les problèmes de vibrations du moteur, de la transmission et de la ligne de transmission sur toute la plage de régime.
- Éoliennes : La vitesse du rotor suit en permanence les variations du vent ; une analyse basée sur une fréquence fixe n'a donc aucun sens — l'analyse des ordres est indispensable.
- Analyse de l'accélération et de la décélération : La détection des vibrations lors du démarrage ou de l'arrêt d'une machine est un moyen efficace de localiser vitesses critiques et résonances; le suivi d'ordre permet de conserver les descente en côte des graphiques clairs et lisibles.
- Machines à mouvement alternatif : les compresseurs et les moteurs dont la vitesse instantanée varie au cours de chaque cycle.
- Engins lourds et mobiles : engins de terrassement, véhicules miniers et autres variateurs de vitesse.
5. Comment s'affichent les données d'analyse d'ordre
Les résultats sont présentés sous plusieurs formats complémentaires :
- Spectre d'ordre : amplitude en fonction des ordres — comme une FFT classique, mais avec les ordres sur l'axe des x.
- Cascade ou cascade parcelle : une série de spectres d'ordre superposés en 3D montrant comment l'amplitude de chaque ordre évolue en fonction de la vitesse.
- Tracé de Bode : l'amplitude et la phase d'un signal de référence (généralement 1× ou 2×) représentées en fonction de la vitesse de la machine, élément central des essais d'accélération et de décélération.
- Diagramme de Campbell: les lignes d'ordre se superposent aux fréquences propres du système, de sorte qu'une résonance apparaît chaque fois qu'une ligne d'ordre croise une ligne de fréquence propre.
A filtre de suivi peut isoler un ordre spécifique en temps réel pour les travaux de finition, et un Calculateur de diagramme de Campbell permet de prévoir où ces croisements auront lieu avant de procéder aux essais.
6. Analyse des ordres dans la pratique sur le terrain
En atelier, l'analyse des ordres sert de base à l'équilibrage des machines qui ne tournent pas à vitesse constante. Un appareil portable à deux canaux tel que le Balanset-1A utilise son tachymètre optique à laser pour corréler les données de vibration à l'angle de l'arbre, de sorte que la composante de déséquilibre de 1× qu'il mesure pour équilibrage sur place reste stable même sur un ventilateur ou une pompe dont le régime varie sous charge. Cette même approche basée sur le tachymètre permet à l'analyseur de distinguer la crête 1× synchrone avec la vitesse du bruit à fréquence fixe tel que fréquences de défaut des roulements, fournissant ainsi une analyse fiable de la zone de forte vibration. En effet, c'est l'analyse des ordres qui permet de transformer les données de vibration d'une machine à vitesse variable en informations exploitables par un ingénieur — permettant ainsi de diagnostiquer avec précision l'état de tout rotor fonctionnant à différentes vitesses.
