Comprendre les vibrations radiales dans les machines rotatives
Définition : Qu'est-ce que la vibration radiale ?
Vibration radiale Il s'agit du mouvement d'un arbre en rotation perpendiculaire à son axe de rotation, s'étendant vers l'extérieur à partir du centre, comme les rayons d'un cercle. Le terme “ radial ” désigne toute direction rayonnant à partir de l'axe de l'arbre, englobant à la fois les mouvements horizontaux (de gauche à droite) et verticaux (de haut en bas). La vibration radiale est synonyme de vibrations latérales ou vibration transversale et représente la forme de vibration la plus couramment mesurée et surveillée vibration dans les machines tournantes.
Dans les applications pratiques, les vibrations radiales sont généralement mesurées dans deux directions perpendiculaires (horizontale et verticale) à chaque emplacement de roulement pour fournir une image complète du mouvement de l'arbre perpendiculairement à son axe.
Instructions de mesure
Vibration radiale horizontale
Les vibrations horizontales sont mesurées dans le sens latéral :
- Perpendiculaire à l'axe du puits et parallèle au sol/plancher
- Souvent l'emplacement de mesure le plus accessible
- Montre généralement les effets de la gravité, de l'asymétrie de la rigidité des fondations et des fonctions de forçage horizontal
- Orientation de mesure standard pour la plupart des programmes de surveillance des vibrations
Vibration radiale verticale
Les vibrations verticales sont mesurées dans le sens de haut en bas :
- Perpendiculaire à l'axe de l'arbre et perpendiculaire au sol/plancher
- Affecté par la gravité et le poids du rotor
- Amplitude souvent supérieure à l'horizontale en raison du poids du rotor créant une rigidité asymétrique
- Essentiel pour détecter les problèmes dans les machines orientées verticalement (pompes verticales, moteurs)
Vibration radiale globale
La vibration radiale totale peut être calculée comme la somme vectorielle des composantes horizontales et verticales :
- Total radial = √(Horizontal² + Vertical²)
- Représente la grandeur réelle du mouvement quelle que soit la direction
- Utile pour les évaluations de gravité à chiffre unique
Principales causes de vibrations radiales
Les vibrations radiales sont générées par des forces agissant perpendiculairement à l'axe de l'arbre :
1. Déséquilibre (cause dominante)
Déséquilibrer est la source la plus courante de vibrations radiales dans les machines tournantes :
- Crée une force centrifuge tournant à la vitesse de l'arbre (1X)
- Grandeur de la force proportionnelle à la masse déséquilibrée, au rayon et à la vitesse au carré
- Produit des formes circulaires ou elliptiques orbite de l'arbre
- Corrigible par équilibrage procédures
2. Désalignement
Désalignement de l'arbre entre les machines couplées crée à la fois radial et vibrations axiales:
- Principalement des vibrations radiales 2X (deux fois par tour)
- Génère également des harmoniques 1X, 3X et supérieures
- Des vibrations axiales élevées accompagnent les vibrations radiales
- Relations de phase entre les roulements, diagnostic du type de désalignement
3. Défauts mécaniques
Divers problèmes mécaniques produisent des modèles de vibrations radiales caractéristiques :
- Défauts de roulement: Impacts à haute fréquence aux fréquences de défaut des roulements
- Manche courbé ou arqué : 1X vibration similaire à un déséquilibre mais présente même à faible vitesse
- Relâchement: Harmoniques multiples (1X, 2X, 3X) avec comportement non linéaire
- Fissures: Vibrations 1X et 2X avec changements au démarrage/à l'arrêt
- Frottements : Composants sous-synchrones et synchrones
4. Forces aérodynamiques et hydrauliques
Les forces de processus dans les pompes, les ventilateurs et les compresseurs créent une force radiale :
- Fréquence de passage des pales (nombre de pales × RPM)
- Déséquilibre hydraulique dû à un écoulement asymétrique
- Décollement de tourbillons et turbulences d'écoulement
- Recirculation et fonctionnement hors conception
5. Conditions de résonance
Lors d'une opération à proximité vitesses critiques, les vibrations radiales s'amplifient considérablement :
- La fréquence naturelle coïncide avec la fréquence de forçage
- Amplitude limitée uniquement par le système amortissement
- Potentiel de niveaux de vibrations catastrophiques
- Nécessite des marges de séparation adéquates dans la conception
Normes et paramètres de mesure
Unités de mesure
La vibration radiale peut être exprimée en trois paramètres liés :
- Déplacement: Distance réelle de déplacement (micromètres, µm, mils). Utilisé pour les mesures de machines à basse vitesse et par sonde de proximité.
- Vitesse: Taux de variation du déplacement (mm/s, po/s). Couramment utilisé pour les machines industrielles générales, il est à la base des normes ISO.
- Accélération: Taux de variation de vitesse (m/s², g). Utilisé pour les mesures haute fréquence et la détection des défauts de roulement.
Normes internationales
La série ISO 20816 fournit des limites de gravité des vibrations radiales :
- ISO 20816-1: Lignes directrices générales pour l'évaluation des vibrations des machines
- ISO 20816-3: Critères spécifiques pour les machines industrielles > 15 kW
- Zones de gravité : A (bon), B (acceptable), C (insatisfaisant), D (inacceptable)
- Lieu de mesure : Généralement sur les boîtiers de roulement dans les directions radiales
Normes spécifiques à l'industrie
- API 610 : Limites des vibrations radiales des pompes centrifuges
- API 617 : Critères de vibration des compresseurs centrifuges
- API 684 : Procédures d'analyse de la dynamique du rotor pour la prédiction des vibrations radiales
- NEMA MG-1 : Limites de vibration des moteurs électriques
Techniques de surveillance et de diagnostic
Surveillance de routine
Les programmes standard de surveillance des vibrations mesurent les vibrations radiales :
- Collecte basée sur l'itinéraire : Mesures périodiques à intervalles fixes (mensuels, trimestriels)
- Tendance du niveau général : Suivre l'amplitude totale des vibrations au fil du temps
- Limites d'alarme : Ensemble basé sur des normes ISO ou spécifiques à l'équipement
- Comparaison: Courant vs. ligne de base, horizontal vs. vertical
Analyse avancée
L'analyse détaillée des vibrations radiales fournit des informations de diagnostic :
- Analyse FFT: Spectre de fréquence montrant les composantes des vibrations
- Forme d'onde temporelle: Signal de vibration au fil du temps révélant des transitoires et des modulations
- Analyse de phase: Relations temporelles entre les points de mesure
- Analyse de l'orbite : Modèles de mouvement de l'axe central de l'arbre
- Analyse de l'enveloppe: Démodulation haute fréquence pour la détection des défauts de roulement
Surveillance continue
Les équipements critiques font souvent l'objet d'une surveillance permanente des vibrations radiales :
- Sondes de proximité pour la mesure directe du mouvement de l'arbre
- Accéléromètres montés en permanence sur des boîtiers de roulement
- Tendances et alarmes en temps réel
- Intégration de systèmes de protection automatique
Différences horizontales et verticales
Relations d'amplitude typiques
Dans de nombreuses machines, les vibrations radiales verticales dépassent les vibrations radiales horizontales :
- Effet de gravité : Le poids du rotor crée une déflexion statique, affectant la rigidité verticale
- Rigidité asymétrique : Les fondations et les structures de soutien sont souvent plus rigides horizontalement
- Rapport typique : Les vibrations verticales de 1,5 à 2 × horizontales sont courantes
- Effet du poids d'équilibre : Les poids de correction placés au bas du rotor (accès facile) réduisent préférentiellement les vibrations verticales
Différences diagnostiques
- Déséquilibrer: Peut apparaître plus fortement dans une direction en fonction de l'emplacement du déséquilibre
- Relâchement: Montre souvent une non-linéarité plus prononcée dans la direction verticale
- Problèmes de fondation : Les vibrations verticales sont plus sensibles à la détérioration des fondations
- Désalignement : Peut apparaître différemment horizontalement et verticalement en fonction du type de désalignement
Relation avec la dynamique du rotor
Les vibrations radiales sont au cœur de dynamique du rotor analyse:
Vitesses critiques
- Les fréquences naturelles radiales déterminent vitesses critiques
- La première vitesse critique correspond généralement au premier mode de flexion radiale
- Diagrammes de Campbell prédire le comportement des vibrations radiales en fonction de la vitesse
- Les marges de séparation des vitesses critiques empêchent les vibrations radiales excessives
Formes de mode
- Chaque mode de vibration radiale a une forme de déflexion caractéristique
- Premier mode : pliage en arc simple
- Deuxième mode : courbe en S avec point nodal
- Modes supérieurs : des motifs de plus en plus complexes
Considérations d'équilibrage
- L'équilibrage vise à réduire les vibrations radiales à une fréquence 1X
- Coefficients d'influence relier les poids de correction aux changements de vibrations radiales
- Emplacements optimaux des plans de correction basés sur les formes de mode radiales
Méthodes de correction et de contrôle
Pour le déséquilibre
- Équilibrage des champs en utilisant des analyseurs portables
- Plan unique ou équilibrage à deux plans procédures
- Équilibrage d'atelier de précision pour composants critiques
Pour les problèmes mécaniques
- Alignement de précision pour corriger le désalignement
- Remplacement des roulements en cas de défauts de roulement
- Resserrage des composants desserrés
- Réparations de fondations pour problèmes structurels
- Redressement ou remplacement d'arbres courbés
Pour les problèmes de résonance
- Changements de vitesse pour éviter les plages de vitesse critiques
- Modifications de rigidité (diamètre de l'arbre, changements d'emplacement des roulements)
- Améliorations de l'amortissement (amortisseurs à film compressible, sélection des roulements)
- Les changements de masse modifient les fréquences naturelles
Importance de la maintenance prédictive
La surveillance des vibrations radiales est la pierre angulaire des programmes de maintenance prédictive :
- Détection précoce des défauts : Les changements dans les vibrations radiales précèdent les défaillances de plusieurs semaines ou mois
- Tendance: Des augmentations progressives indiquent des problèmes en développement
- Diagnostic des pannes : Le contenu en fréquence identifie des types de défauts spécifiques
- Évaluation de la gravité : L'amplitude indique la gravité et l'urgence du problème
- Planification de la maintenance : Maintenance basée sur l'état plutôt que sur le temps
- Économies de coûts : Prévient les pannes catastrophiques et optimise les intervalles de maintenance
En tant que principale mesure des vibrations dans les machines tournantes, les vibrations radiales fournissent des informations essentielles sur l'état de l'équipement, ce qui les rend indispensables pour garantir un fonctionnement fiable, sûr et efficace des équipements rotatifs industriels.
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