Analyse des vibrations — Diagnostics spectraux Guide

Qu'est-ce que l'analyse vibratoire ?

Chaque machine tournante vibre. Dans une machine saine, la vibration est faible et stable — sa "signature de fonctionnement" normale. À mesure que des défauts se développent, la vibration évolue de manière prévisible. En mesurant et en analysant ces changements, nous pouvons identifier la cause racine, prédire une défaillance, et planifier la maintenance avant une panne catastrophique. C'est le fondement de maintenance prédictive.

FFT : Le cœur de l’analyse spectrale

Un capteur de vibrations (accéléromètre) convertit l'oscillation mécanique en un signal électrique. Affiché au fil du temps, ce signal représente forme d'onde — une courbe complexe, apparemment chaotique, en présence de plusieurs défauts. La FFT (Transformée de Fourier Rapide) décompose ce signal complexe en composantes sinusoïdales individuelles, chacune ayant sa propre fréquence et amplitude.

Imaginez la FFT comme un prisme qui décompose la lumière blanche en arc-en-ciel. La forme d'onde complexe est la « lumière blanche » — la FFT révèle les « couleurs » (fréquences) individuelles cachées à l'intérieur. Le résultat est le spectre de vibrations — l'outil de diagnostic principal.

Paramètres spectraux clés

• Fréquence (axe X, Hz) : Fréquence des oscillations. Directement liée à la source. 1× = vitesse de l'arbre. 2× = double de la vitesse de l'arbre.
• Amplitude (axe Y, mm/s RMS) : Intensité des vibrations à chaque fréquence. Des pics plus élevés indiquent une énergie plus importante et donc un état plus critique.
• Harmoniques : Multiples entiers de la fondamentale : 2× (2e), 3× (3e), 4×, etc. Leur présence et leur hauteur relative contiennent des informations diagnostiques.
• Phase (°) : Relation temporelle à différents points de mesure. Essentielle pour distinguer le balourd (en phase) du défaut d'alignement (180°).

Unités de mesure des vibrations : déplacement, vitesse, accélération

La vibration peut être mesurée selon trois paramètres physiques différents. Chacun met l'accent sur des plages de fréquences différentes, ce qui les rend adaptés à des tâches de diagnostic différentes. Comprendre quand utiliser quel paramètre est fondamental pour une analyse efficace.

Technique de mesure avec Balanset-1A

Placement du capteur

La qualité du diagnostic dépend entièrement de la qualité de la mesure. Les forces vibratoires sont transmises par les roulements ; les capteurs doivent donc être montés sur les paliers, au plus près du roulement, sur la structure porteuse (et non sur les couvercles ou les ailettes de refroidissement).

• Préparation de la surface : Propre, plane et sans écailles de peinture. La base magnétique doit être parfaitement à plat.
• Radial horizontal (H) : Perpendiculaire à l'arbre, plan horizontal. Amplitude souvent maximale.
• Radial vertical (V) : Perpendiculaire à l'arbre, plan vertical.
• Axial (A) : Parallèle à l'arbre. Essentiel pour détecter un défaut d'alignement.

Modes de diagnostic du Balanset-1A

• F8 — Charts → l'onglet "F5-Spectrum (Hz)" : Affichage complet du spectre FFT. Le mode de diagnostic principal. Les autres onglets Charts — F2-Overall, F3-1x, F4-Harmonics (1x..Nx), et F6-Orbit — couvrent la vibration globale, le suivi 1×, les motifs harmoniques et l'orbite de l'arbre.
• F5 — Vibration Meter: Évaluation rapide. Comparer V1s (valeur efficace totale) à V1o (1×). Si V1s ≈ V1o → balourd. Si V1s ≫ V1o → autres défauts.
• F6 — Reports: Archive de mesures et rapports HTML — utilisez-la pour enregistrer des valeurs de référence.
• F9 — Route Inspection: Parcours de mesure guidés avec zones de tendance selon l'ISO 10816-1 — pour les tournées de surveillance régulières.

Analyse de phase — L'outil de différenciation diagnostique

La fréquence vous indique quoi vibre ; la phase vous l'indique comment. Deux défauts peuvent produire des spectres identiques (tous deux dominés par 1×) — seule l'analyse de phase permet de les distinguer. La phase est la relation angulaire entre la vibration en différents points de mesure, exprimée en degrés (0°–360°).

Défaut 1 : Balourd

Cause : Centre de masse déplacé par rapport à l'axe de rotation. Tolérances de fabrication, accumulation de dépôts, érosion, pale cassée, poids perdu.

Spectre: Pic dominant exactement à 1× la vitesse. Harmoniques très faibles. Vibration radiale. Le balourd une force croît avec le carré de la vitesse ; l'amplitude de vibration augmente avec la vitesse, la relation exacte dépendant de la proximité de la résonance. La phase est stable et reproductible.

Balourd statique (plan unique)

Signal sinusoïdal pur, crête 1×. Les deux paliers sont en phase. Correction sur un seul plan.

Balourd dynamique (deux plans / couple)

Également dominant 1×, mais avec des paliers déphasés d'environ 180°. Correction sur deux plans nécessaire.

Défaut 2 : Désalignement de l'arbre

Cause : Les axes des arbres accouplés ne coïncident pas. Ils peuvent être parallèles (décalés) ou angulaires (inclinés), généralement les deux.

Désalignement parallèle (radial)

Valeurs élevées de 1× et 2× dans la direction radiale. 2× est souvent ≥ 1×. Déphasage de 180° au niveau du couplage.

Désalignement angulaire — Radial

1× et 2× tous deux présents dans la direction radiale — l'un ou l'autre peut dominer, le spectre radial seul n'est donc pas concluant. La mesure axiale tranche.

Désalignement angulaire — Axial

Vibration axiale ≥ 50 % de la radiale, généralement dominée par 1× avec des composantes 2× et 3× élevées. Déphasage de 180° de part et d'autre de l'accouplement en axial. C'est la mesure distinctive clé.

Défaut 3 : Jeu mécanique

Cause : Perte de rigidité structurelle — boulons desserrés, fissures dans les fondations, sièges de paliers usés, jeux excessifs.

Jeu des composants

" Forêt " d'harmoniques — 1×, 2×, 3×, 4×… jusqu'à 10×+ avec une amplitude décroissante. Peut présenter des sous-harmoniques 0,5×.

Desserrage structurel

Dominance 1× et/ou 2×. Peu d'harmoniques supérieures. Forte vibration verticale.

Défaut 4 : Défauts des roulements

Cause : Piqûres, écaillage, usure des chemins de roulement, des éléments roulants ou de la cage.

Défaut de la bague extérieure (BPFO)

Série de pics à BPFO, 2×BPFO, 3×BPFO… Absence de bandes latérales 1× (anneau fixe). Défaut de roulement le plus fréquent.

Défaut de bague intérieure (BPFI)

Harmoniques BPFI avec bandes latérales ±1× (anneau rotatif, modulation de zone de charge). Le motif des bandes latérales est l'identifiant principal.

Défaut des éléments roulants (BSF)

Harmoniques BSF. 2×BSF souvent dominantes. Non synchrones. Souvent accompagnées de dommages à la bague.

Défaut de cage (FTF)

Fondamentale sous-synchrone (FTF ≈ 0,4× la vitesse de l'arbre) ; ses harmoniques peuvent dépasser 1×. Basse fréquence. Accompagne souvent d'autres dommages de roulement.

Analyse d'enveloppe (démodulation) — Détection précoce des défauts de roulement

L'analyse spectrale FFT standard détecte les défauts de roulement à partir de la fin de l'étape 2. Avant cela, les chocs du roulement sont trop faibles — et de fréquence trop élevée — pour apparaître au-dessus du niveau de bruit. Analyse d'enveloppe (également appelée démodulation ou détection haute fréquence, HFD) étend la détection à des étapes beaucoup plus précoces.

Comment ça marche

Lorsqu'un élément roulant heurte un défaut, il génère une brève impulsion d'impact qui excite des résonances structurelles à haute fréquence (généralement de 5 à 20 kHz). Ces résonances " sonnent " brièvement à chaque impact. L'analyse d'enveloppe se déroule en trois étapes :

1. Filtre passe-bande : Isoler la bande de résonance à haute fréquence (par exemple, 5–15 kHz) où résonnent les impacts.
2. Redresser et envelopper : Extraire le motif de modulation d'amplitude — l'" enveloppe " qui suit les pics de la résonance.
3. FFT de l'enveloppe : Appliquez la FFT au signal d'enveloppe. Le résultat affiche le taux de répétition des impacts — ce qui correspond aux fréquences de défauts des roulements (BPFO, BPFI, BSF, FTF).

Paramètres associés

• Énergie de pointe (SE) : Mesure globale de l'énergie d'impact à haute fréquence. Valeur scalaire de tendance. Idéal pour le triage " conforme/non conforme ".
• gSE / HFD / PeakVue : Noms spécifiques au fournisseur pour les paramètres dérivés de l'enveloppe. Tous basés sur le même principe.
• Enveloppe d'accélération : Le Balanset-1A mesure en vitesse (mm/s). Pour une analyse d'enveloppe complète, un analyseur dédié avec entrée en accélération et capacité de filtrage passe-bande est idéal. Cependant, la FFT du Balanset-1A peut tout de même détecter efficacement des fréquences discrètes de défaut de roulement dans le spectre de vitesse standard à partir de la fin du Stade 2.

Défaut 5 : Défauts d’engrenage

Cause : Dents usées, piquées ou cassées. Excentricité de l'engrenage. GMF = nombre de dents × vitesse de rotation de l'arbre / 60.

Excentricité de l'engrenage

GMF avec bandes latérales à ±1× la vitesse de l'arbre. La composante 1× de l'engrenage peut également être élevée.

Usure/dommages des dents d'engrenage

Plusieurs harmoniques GMF avec des bandes latérales denses. La sévérité évolue avec le nombre et l'amplitude des bandes latérales.

Défaut 6 : Défauts électriques (moteurs)

Les défauts électromagnétiques produisent des vibrations à 2× fréquence du réseau (100 Hz sur un réseau de 50 Hz, 120 Hz sur un réseau de 60 Hz). Test critique : les vibrations disparaissent. immédiatement lorsque l'alimentation est coupée. Les défauts mécaniques s'atténuent progressivement.

• Excentricité du stator : 2× fréquence de ligne, amplitude stable.
• Défauts des barres de rotor : Bandes latérales autour de la vitesse de rotation 1× espacées à la fréquence de passage des pôles (glissement × nombre de pôles — typiquement 0,5–2 Hz, une résolution fréquentielle fine est donc nécessaire pour les séparer). Une fréquence de passage des barres du rotor (nombre de barres × vitesse de l'arbre) avec des bandes latérales à 2× la fréquence secteur peut également apparaître.
• Pieds souples : Les vibrations changent lorsque les pieds individuels du moteur sont desserrés.

Défaut 7 : Problèmes de transmission par courroie

Cause : Courroies usées, mal alignées ou mal tendues. Les transmissions par courroie génèrent des vibrations à la fréquence de passage de la courroie, ce qui correspond généralement à une fréquence sous-synchrone (inférieure à 1× la vitesse de l'arbre) puisque la courroie est plus longue que la circonférence de la poulie.

Signatures courantes des courroies

• Usure/défaut de la courroie : Pics à la fréquence de courroie (f_courroie) et ses harmoniques (2×, 3×, 4× f_courroie). La fondamentale apparaît en dessous de 1× la vitesse de l'arbre — un pic sous-synchrone est l'indicateur clé ; les harmoniques supérieures peuvent dépasser 1×.
• Désalignement de la courroie : Vibrations axiales élevées à 1× et 2× la vitesse de l'arbre. Similaires à un défaut d'alignement de l'arbre, mais limitées à la machine à entraînement par courroie.
• Tension incorrecte : Vibrations importantes (1×) qui varient considérablement en fonction de la tension de la courroie. Une courroie trop tendue augmente la charge sur les roulements ; une courroie trop lâche provoque des claquements et des pics à la fréquence de courroie.
• Résonance : La fréquence naturelle de la courroie (ou " flottement ") peut être excitée si la résonance de sa portée coïncide avec la vitesse de fonctionnement. Ce phénomène se manifeste par un pic large à la fréquence naturelle de la courroie.

Défaut 8 : Cavitation de la pompe

Cause : Des bulles de vapeur se forment et implosent violemment lorsque la pression locale chute en dessous de la pression de vapeur du liquide, généralement à l'aspiration de la pompe. Chaque implosion de bulle crée un micro-impact. Des milliers d'implosions par seconde génèrent un bruit à large bande caractéristique.

Signature spectrale

• Énergie large bande : Contrairement aux défauts mécaniques (qui produisent des pics discrets), la cavitation génère un plancher de bruit élevé et irrégulier réparti sur une large bande de fréquences — sur le graphique ci-dessous, à partir d'environ 200 Hz jusqu'au bord de la plage affichée. Le spectre ressemble à une « bosse » ou à un plateau surélevé plutôt qu'à des pics nets.
• Aléatoire, non périodique : Aucune harmonique, aucun lien avec la vitesse de rotation de l'arbre. Le bruit ressemble à du " gravier " ou à un " crépitement " — audible même sans instruments.
• Effets basse fréquence : Une cavitation sévère peut également provoquer une instabilité à 1× et un bruit basse fréquence à large bande dû à la turbulence de l'écoulement.

Défaut 9 : Tourbillon d'huile & fouettement d'huile (paliers lisses)

Cause : Instabilité du film d'huile dans les paliers lisses (à coussinet). Le coin de film d'huile force l'arbre à orbiter dans le jeu du palier à une fréquence sous-synchrone. Ceci est distinct des défauts de roulements à éléments roulants et ne se produit que dans les paliers lisses. Affichage de l'orbite de l'arbre — le F8 — Charts → l'onglet F6-Orbit sur le Balanset-1A — est la méthode classique pour observer le comportement des paliers lisses.

Tourbillon d'huile

• Fréquence : Environ 0,42× à 0,48× La vitesse de rotation de l'arbre (souvent citée comme étant d'environ 0,43×) correspond à un pic sous-synchrone qui suit la vitesse de rotation de l'arbre : si le régime moteur augmente, la fréquence de tourbillonnement augmente proportionnellement.
• Spectre: Un pic unique à environ 0,43× qui se déplace avec la vitesse. L'amplitude peut être modérée.
• État : Précurseur du fouettement d'huile. Généralement non immédiatement destructeur, mais indique une instabilité.

Fouet à huile

• Fréquence : Se verrouille sur la première du rotor fréquence naturelle (vitesse critique). Contrairement au tourbillonnement, il ne suit PAS la vitesse de rotation de l'arbre ; la fréquence reste constante malgré les variations de régime.
• Spectre: Pic sous-synchrone important à la première vitesse critique du rotor. L'amplitude peut être très élevée, voire destructrice.
• État : Dangereux. Intervention immédiate requise. Risque de destruction des paliers et d'endommagement de l'arbre.

Tableau de classification — Sévérité des vibrations selon l'ISO 10816

L'ISO 10816-1 (la partie générale de la série ISO 10816, remplacée par l'ISO 20816 mais encore largement référencée) définit les zones de sévérité vibratoire pour quatre classes de machines. La vibration est mesurée en vitesse en mm/s RMS sur les logements de roulements. Le tableau ci-dessous montre toutes les limites de zone pour les quatre classes — utilisez-le comme référence rapide lors de l'évaluation des mesures. Notez que l'ISO 10816-3 (aujourd'hui ISO 20816-3), qui couvre les machines industrielles de plus de 15 kW fonctionnant à 120–15000 tr/min, utilise un schéma différent — deux groupes de machines avec des classes de support rigide ou souple — plutôt que les Classes I–IV présentées ici.

De la mesure à la surveillance

Analyse des tendances

Un spectre unique est un instantané. La puissance de l'analyse vibratoire est analyse des tendances — le suivi des changements au fil du temps.

• Établir une base de référence : Mesurez un équipement neuf ou connu pour être en bon état. Enregistrez les spectres — celle du Balanset-1A F6 — Reports l'archive stocke les mesures et les rapports HTML.
• Établir des intervalles : Critique : hebdomadaire. Standard : mensuel. Auxiliaire : trimestriel.
• Garantir la répétabilité : Mêmes points, mêmes directions, mêmes conditions de fonctionnement.
• Suivre les modifications : Une augmentation de 2× par rapport à la valeur de référence est significative même si elle se situe dans la zone ISO A.
• Utilisez des itinéraires de mesure : Le Balanset-1A propose F9 — Route Inspection guide des tournées de mesure reproductibles et suit les relevés en tendance par rapport aux zones de l'ISO 10816-1.

Algorithme de décision

1. Obtenez un spectre de qualité (graphiques F8, radial + axial).
2. Identifiez le pic le plus élevé — il s'agit du problème principal.
3. Correspondance avec le type de défaut :
   • 1× domine → Balourd → Équilibrer avec Balanset-1A.
   • 2× domine + axial élevé → Désalignement → Réaligner les arbres.
   • De nombreuses harmoniques → Jeu mécanique → Inspecter et resserrer.
   • Pics non synchrones → Roulement → Planifier le remplacement.
   • GMF + bandes latérales → Engrenage → Vérifier l'huile, inspecter la boîte de vitesses.
4. Corrigez d'abord le défaut principal — les symptômes secondaires disparaissent souvent.

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