Comprendre les vibrations au démarrage des machines tournantes
Vibration au démarrage décrit les Vibrations comportement des machines tournantes lors de l'accélération depuis l'arrêt jusqu'à la vitesse de fonctionnement normale. Il couvre à la fois les vibrations transitoires au fur et à mesure que la machine passe par ses vitesses critiques ainsi que tout phénomène anormal propre à la phase de démarrage — arc thermique, instabilités des roulements, frottements, ou tassement mécanique. Il est important de surveiller ce phénomène, car de nombreux problèmes de vibrations se manifestent le plus clairement lors d'un démarrage, et la phase transitoire de démarrage est souvent le moment où la machine subit les contraintes mécaniques les plus importantes de tout son cycle de fonctionnement.
1. Définition : en quoi le régime transitoire de démarrage est-il particulier ?
La surveillance en régime permanent permet d'observer une machine fonctionnant à une vitesse fixe, tandis que le démarrage fait parcourir au rotor toute sa plage de vitesse, ce qui excite chaque fréquence naturelle qui se situe en dessous de la vitesse de fonctionnement lors de la montée. Chaque passage à travers un résonance amplifie momentanément la réponse, tandis que le rotor est à la fois froid, se réchauffe de manière inégale et s'installe sur ses roulements. Cette combinaison fait du démarrage une fenêtre particulièrement révélatrice — et particulièrement exigeante — sur l'état de la machine, raison pour laquelle des analyse de la montée en vitesse est un outil standard pour les équipements critiques.
2. Caractéristiques typiques des vibrations au démarrage
Déroulement normal du démarrage
Sur une machine en bon état, les vibrations lors du démarrage suivent un schéma prévisible que l'analyste peut utiliser comme référence.
Phase initiale (0 à 20 % de la vitesse)
- Très faible vibration de déséquilibrer, car la force centrifuge est proportionnelle au carré de la vitesse.
- Toute vibration importante à cet endroit indique un problème mécanique ou une déformation due à la chaleur.
- La mesure en rotation lente fournit une référence sur l'état purement mécanique du rotor (par exemple, la courbure résiduelle ou le faux-rond).
Accélération à travers les vitesses critiques
- L'amplitude augmente à mesure que l'on s'approche de chaque vitesse critique.
- Elle atteint son maximum à la vitesse critique, lorsque le rotor est en résonance.
- Elle diminue rapidement à mesure que la vitesse dépasse le seuil critique.
- Un angle d'environ 180°. phase Ce changement accompagne le franchissement de chaque vitesse critique — une caractéristique distinctive.
- Plusieurs pics apparaissent si plusieurs vitesses critiques sont inférieures à la vitesse de fonctionnement.
Approche de la vitesse de fonctionnement
- Les vibrations se stabilisent à un niveau constant.
- Elle est dominée par la composante 1× provenant de balourd résiduel.
- La stabilisation thermique peut entraîner des changements progressifs au cours des 30 à 60 premières minutes de fonctionnement.
3. Problèmes courants liés aux vibrations au démarrage
Arc thermique
La voilure thermique est le problème le plus courant lié au démarrage :
- Symptôme: des vibrations importantes lors de l'accélération initiale, qui diminuent progressivement à mesure que la machine se réchauffe.
- Cause : un échauffement asymétrique provoquant une courbure temporaire de l'arbre.
- Fréquence: 1× synchrone.
- Comportement : élevée même à faible vitesse de rotation lente, puis diminuant à mesure que l'équilibre thermique est atteint.
- Solution : procédures d'échauffement prolongées et mise en rotation par le vireur avant le démarrage.
Vibrations excessives à la vitesse critique
- Symptôme: des pics très élevés lors du franchissement d'une vitesse critique.
- Causes : pauvres amortissement, un balourd important ou un fonctionnement trop proche d'une vitesse critique.
- Risque: risque d'endommagement des roulements et des joints à chaque démarrage.
- Solution : améliorer l'équilibrage, augmenter la vitesse d'accélération dans les zones critiques et renforcer l'amortissement.
Frottement lors de l'accélération
- Symptôme: une vibration soudaine et irrégulière ainsi que l'apparition de sous-synchrone des composants.
- Cause : des jeux insuffisants ou des vibrations excessives à la vitesse critique provoquant le contact du rotor.
- Risque: des dommages thermiques localisés et la destruction des joints.
- Solution : vérifier les jeux, améliorer l'équilibrage et réduire l'accélération.
Instabilité des roulements lors du démarrage
- Symptôme: vibration subsynchrone apparaissant lors de l'accélération, souvent à proximité de la moitié de la vitesse de fonctionnement.
- Cause : un palier lisse n'a pas encore atteint sa température de fonctionnement, de sorte que la rigidité de son film d'huile et son amortissement ne sont pas encore optimaux — ce qui laisse présager tourbillon d'huile.
- Comportement : peut disparaître une fois que le roulement s'est réchauffé.
- Solution : Échauffement prolongé à vitesse intermédiaire avant accélération complète
4. Conception de la procédure de démarrage
Optimisation du taux d'accélération
Le profil d'accélération doit être adapté à la dynamique propre à la machine plutôt que d'être appliqué de manière uniforme.
Zones d'accélération lente
- Lancer initial (vitesse de 0 à 10 %) : très lentement, afin de détecter une déformation thermique ou des problèmes mécaniques.
- En dessous de la première vitesse critique : à un rythme modéré pour permettre au rotor de se réchauffer thermiquement.
- Au-delà de toutes les vitesses critiques : l'accélération jusqu'à la vitesse de service peut être plus rapide.
Zones de passage rapide
- Plages de vitesses critiques : accélérer rapidement d'environ ±15 à 20 % autour de chaque vitesse critique.
- Taux typique : 2 à 5 fois le taux d'accélération normal.
- But: réduire au minimum le temps de séjour à la résonance et limiter l'augmentation de l'amplitude des vibrations.
Points d'arrêt
- Vitesses de stabilisation thermique : maintenir à 30 %, 50 % et 70 % pour les grandes turbines.
- Durée: 10 à 30 minutes à chaque maintien.
- But: permettent la stabilisation thermique et réduisent les gradients thermiques.
- Contrôle des vibrations : Vérifiez que les vibrations sont acceptables avant de continuer.
5. Suivi et critères d'acceptation
Surveillance en temps réel
Lors du démarrage, surveillez :
- Niveau global de vibration : elle ne devrait pas dépasser la limite d'alarme à n'importe quelle vitesse.
- Températures des roulements : Une hausse progressive est acceptable ; une hausse rapide est le signe d'un problème.
- Suivi de la vitesse : Vérifiez que la machine accélère en douceur.
- Angle de phase : surveillez-le pour détecter tout changement inattendu pouvant trahir des problèmes mécaniques.
Critères d'acceptation
- Pics de vitesse critique : devraient correspondre aux prévisions à ±10–15 % près.
- Amplitudes de crête : doivent respecter les limites de conception, généralement définies dans les spécifications de l'équipement et comparées à ISO 20816 recommandations de sévérité vibratoire.
- Vibration en régime permanent : devraient se stabiliser à des niveaux acceptables après la stabilisation thermique.
- Répétabilité : Les démarrages successifs doivent se dérouler de manière cohérente.
6. Dépannage des vibrations anormales au démarrage
Vibration initiale élevée
Causes possibles :
- Flèche thermique consécutive à un cycle de fonctionnement ou à un arrêt précédent.
- Une flèche mécanique ou arbre courbé.
- Problèmes de roulements — porter ou désalignement.
- Relâchement ou d'autres défauts mécaniques.
Augmentation des vibrations pendant l'échauffement
Causes possibles :
- Une flèche thermique se formant sous l'effet d'un réchauffement asymétrique.
- La dilatation thermique perturbe l'alignement.
- Les jeux des roulements varient en fonction de la température.
- Les jeux de fermeture dus à la dilatation thermique entraînent des frottements
Vibration erratique pendant l'accélération
Causes possibles :
- Frottement ou contact intermittent.
- Des composants desserrés qui se tassent ou se déplacent.
- Couplage problèmes.
- Comportement variable des roulements.
7. Documentation et données de référence
Mise en service initiale
Définir une signature de démarrage de référence :
- Enregistrez toutes les données relatives à la phase d'accélération.
- Générer Diagrammes de Bode et diagrammes en cascade.
- Notez chaque vitesse critique et son amplitude maximale.
- Conservez-le comme référence pour toutes les comparaisons futures.
Comparaison périodique
- Comparez chaque démarrage actuel à la référence.
- Soyez attentif aux variations de la position des vitesses critiques, qui indiquent des changements mécaniques tels qu'une fissure en formation ou une modification de la rigidité des supports.
- Surveillez les variations de l'amplitude de crête, qui indiquent un balourd ou des changements au niveau de l'amortissement.
- Recherchez les nouvelles composantes vibratoires absentes de la signature de référence.
Pour enregistrer correctement une phase d'accélération, il faut mesurer en continu l'amplitude, la phase et la vitesse pendant que le rotor accélère — c'est précisément le type de mesure synchronisée pour lequel un analyseur portable à deux canaux a été conçu. Le Balanset-1A enregistre l'amplitude et la phase 1× en fonction de la vitesse de l'arbre pendant le démarrage, ce qui permet à un technicien de localiser les vitesses critiques, de vérifier l'inversion de phase de 180° à chacune d'elles et — lorsque le problème est un déséquilibre 1× ou une déformation thermique plutôt qu'un défaut structurel — d'équilibrer le rotor dans ses propres paliers et de relancer le moteur pour vérifier que les pics de démarrage ont diminué. Pour anticiper l'emplacement de ces pics, un Calculateur de vitesse critique d'un rotor estime la fréquence propre de l'arbre, tandis qu'un Calculateur du temps d'accélération du rotor permet de déterminer à quelle vitesse le moteur peut traverser une zone de résonance.
L'analyse des vibrations au démarrage offre une vision de l'état des machines que la surveillance en régime permanent ne peut à elle seule fournir. Étant donné que de nombreux défauts naissants se manifestent d'abord lors de l'accélération, l'analyse des tendances de la signature de démarrage au fil du temps constitue l'un des outils de maintenance prédictive les plus précieux pour les équipements rotatifs critiques.
