Surveillance des vibrations :une approche hybride

Vous avez un programme trimestriel ou mensuel de surveillance des vibrations basé sur l'itinéraire, mais vous rencontrez toujours des défaillances. Le problème est que la surveillance basée sur les routes ne fournit qu'une lecture instantanée. Pour de nombreux actifs, des problèmes peuvent survenir rapidement et souvent sans avertissement.

Un excellent exemple de ceci est un défaut de cage de roulement. Un défaut de cage peut évoluer de la première indication à la défaillance complète du roulement en l'espace d'une semaine, voire de quelques jours - et selon le moment, la surveillance basée sur l'itinéraire peut ne pas le détecter. Une possibilité consiste à passer à la surveillance continue des vibrations. Malheureusement, la mise en œuvre d'un programme complet de surveillance continue des vibrations peut s'avérer difficile et peut être excessive pour certains actifs. Que pouvez-vous faire ?

La solution consiste à appliquer une approche hybride qui intègre à la fois une surveillance continue des vibrations et une surveillance périodique basée sur l'itinéraire. Utilisez le bon outil pour le bon type d'actif. Les goulots d'étranglement des processus critiques et les actifs liés à la sécurité tels que les ventilateurs de ventilation ou de refroidissement sont idéaux pour une surveillance continue (voir la figure 1), tandis que les actifs à faible risque ou à faible vitesse sont les mieux adaptés à la surveillance basée sur les itinéraires. Cette approche hybride est un moyen efficace d'améliorer votre programme de maintenance sans vous ruiner et sans laisser le parfait être l'ennemi du bien.

Figure 1 : Le spectre de vibration de base du roulement (à gauche) pris par le système de surveillance d'état en ligne Dynapar OnSite™ montre l'amplitude la plus élevée à la fréquence de rotation fondamentale (point rouge). Dans le spectre pris après l'apparition d'un défaut de relèvement (à droite), l'amplitude de la fréquence fondamentale a diminué (point rouge) alors même que les harmoniques 2X et 3X ont augmenté; les harmoniques d'ordre supérieur sont corrélées au desserrage du roulement.

Équilibrer les avantages et les inconvénients

S'il y a une vérité en ingénierie, c'est qu'il n'y a pas de solution parfaite, juste la meilleure approche pour un problème donné. L'établissement d'un programme de surveillance hybride commence par comprendre les forces et les faiblesses des deux approches.

La surveillance basée sur l'itinéraire consiste à effectuer des lectures manuelles à des intervalles déterminés par l'historique de l'actif ou extrapolés à partir des programmes de maintenance préventive. C'est une bonne approche pour surveiller un grand nombre de points. Par contre, l'outil de surveillance représente un investissement substantiel. Prendre des lectures précises nécessite des techniciens qualifiés, qu'ils soient internes ou tiers.

Les données sont généralement stockées et gérées localement, et le volume augmente considérablement au fil du temps. Enfin, l'analyse et l'interprétation des lectures nécessitent une expertise qui a un coût, qu'il s'agisse de former un ingénieur du personnel, d'embaucher un technicien qualifié ou de travailler avec un service de fiabilité tiers.

L'analyse continue des vibrations en ligne utilise des capteurs en réseau installés sur l'équipement pour collecter des données et les transmettre à un serveur local ou un cloud pour analyse et alertes. La fréquence des lectures rend la surveillance continue des vibrations en ligne très efficace pour détecter les défauts à développement rapide. Bien que l'équipement ait traditionnellement été coûteux, une nouvelle génération de systèmes de surveillance d'état basés sur le cloud et économiques rend la technologie pratique pour un plus large éventail d'actifs.

Comme toujours, il y a des compromis. Même appliquée à intervalles discrets, la surveillance continue de l'état en ligne génère de grandes quantités de données. Cependant, dans la plupart des cas, ces données sont transférées vers le cloud pour le stockage. Un logiciel convivial basé sur le cloud peut être utilisé pour exécuter automatiquement des analyses préconfigurées par rapport aux données, réduisant ainsi la quantité d'expertise nécessaire pour convertir la sortie du capteur en informations exploitables.

Le bon outil pour le bon actif

L'approche de surveillance idéale pour un actif donné équilibre avec succès le coût de la surveillance avec la probabilité que la fréquence découvre les problèmes à temps pour éviter les temps d'arrêt imprévus. Aux fins du choix d'une modalité de surveillance, considérez le risque introduit par l'échec. Cela inclut le risque de défaillance; la durée de cette défaillance ; et l'impact de cette défaillance en termes de sécurité humaine, de sécurité environnementale et de production globale. Enfin, pensez à l'accessibilité des actifs pour les lectures manuelles et pour les réparations.

Une fois que vous avez tabulé ces facteurs, associez l'application à l'approche de surveillance la mieux adaptée à l'application.

Les atouts suivants conviennent parfaitement à la surveillance basée sur les routes de vibration :

Actifs stables : Les actifs avec des temps moyens entre défaillances (MTBF) d'un an ou plus peuvent être suivis très efficacement en utilisant une surveillance basée sur les itinéraires sur une base mensuelle ou trimestrielle. Investir dans un système pour prendre des données en continu sur ce type d'actif est exagéré. Il est peu probable que la surveillance continue en ligne augmente considérablement le temps de disponibilité par rapport aux techniques basées sur les routes. Ce que cela augmentera, c'est la quantité de données « Je vais bien » qui doivent être capturées, analysées et stockées.

Actifs à faible risque : Si un actif a une unité de secours directe, des pièces de rechange en stock qui peuvent être rapidement installées ou qui sont peu susceptibles d'avoir un impact sur la productivité globale de l'installation et/ou de l'exploitation, cela peut être considéré comme présentant un faible risque. De tels actifs sont de bons candidats pour la surveillance basée sur les itinéraires.

Actifs bas débit : La surveillance basée sur les itinéraires est très efficace pour les actifs tournants à faible vitesse. La plupart des systèmes de surveillance continue ont une diminution significative des basses et hautes fréquences dans le spectre des vibrations. Cela limite leur efficacité pour les actifs fonctionnant à des vitesses inférieures à environ 600 tr/min.

Pour une application, ne cherchez pas plus loin que les fours industriels utilisés pour tout, du grillage des céréales du petit-déjeuner au durcissement de la peinture automobile. Les moteurs alimentant les convoyeurs de ces fours peuvent tourner à 25 tr/min tout en transportant de lourdes charges, les exposant à des contraintes importantes. La surveillance basée sur l'itinéraire fournit une surveillance efficace non seulement pour les vibrations, mais aussi pour d'autres variables de processus pour donner une meilleure idée de la santé globale de l'actif.

Ces classes d'actifs sont mieux suivies à l'aide de la surveillance de l'état en ligne :

Éléments qui échouent fréquemment, malgré la surveillance basée sur les routes : Les défauts à développement rapide nécessitent une surveillance plus fréquente qu'un programme basé sur l'itinéraire ne peut généralement fournir. Si un actif tombe en panne tous les six mois ou moins, malgré des lectures manuelles régulières, envisagez une surveillance continue des vibrations en ligne. Elle offre une meilleure protection et une solution plus rentable qu'une approche basée sur l'itinéraire.

Atouts critiques : Les actifs qui agissent comme des goulots d'étranglement pour d'autres opérations doivent être surveillés en permanence. Un convoyeur qui sert de point d'étranglement pour une chaîne de traitement entière, par exemple, doit être surveillé pour assurer un fonctionnement continu si le coût de la défaillance est élevé, même si le coût de l'actif ne l'est pas, il doit être considéré comme critique.

À titre d'exemple, l'étage de production de 100 000 pieds carrés abritant la chaîne de transformation d'un grand producteur alimentaire était desservi par un seul ventilateur sur le toit. Lorsqu'il a échoué, la production a dû être arrêtée. Une simple réparation peut coûter 120 000 $. Une panne catastrophique pourrait coûter plus d'un million de dollars. Compte tenu de la nature critique de l'actif, il aurait dû faire l'objet d'un suivi régulier. En raison de la neige et de la glace et d'autres obstacles, il n'a été vérifié que quelques fois par an.

Pour avertir à l'avance de l'apparition de défauts, le service de fiabilité tiers de l'entreprise a installé un moniteur de vibration en ligne continu. L'unité a commencé à prendre des données le 4 octobre. Vers le milieu du mois, le tracé des données de tendance des vibrations RMS pour l'un des roulements a commencé à augmenter, indiquant un défaut de roulement (voir figure 2). Après consultation, il a été décidé de poursuivre les opérations tout en surveillant l'actif, afin de planifier la réparation de manière à minimiser l'impact sur la production.

Le 3 novembre, le défaut s'aggrave brutalement. Le système a envoyé des alertes. L'équipe a examiné les données, en surveillant de près le système jusqu'à la fin du quart de travail. À ce stade, le problème était audible. La machine a été arrêtée et réparée pendant la nuit. La surveillance continue a permis d'étendre la production tout en évitant le coût d'une panne catastrophique.

Figure 2 :Les données du système de surveillance de l'état Dynapar OnSite montrent un bond spectaculaire de la tendance des vibrations RMS le 24 octobre lorsque le défaut s'est formé pour la première fois, suivi d'une forte augmentation le 3 novembre lorsque le roulement est devenu critique.

Accès difficile aux éléments : La surveillance continue des vibrations en ligne fournit une solution pour les actifs difficiles d'accès pour les lectures manuelles. Dans un exemple récent, l'enrouleur d'une machine à papier subissait de fréquentes défaillances de roulements en raison d'une variation de vitesse constante. La surveillance basée sur l'itinéraire n'a pas pu être utilisée car le rouleau n'était pas accessible pendant que la machine fonctionnait, en raison de problèmes de sécurité. La variation continue de la vitesse signifiait également qu'une simple surveillance des vibrations n'était pas suffisante.

La société a installé un système de surveillance continue des vibrations en ligne avec un stockage et une analyse de données basés sur le cloud. L'analyse basée sur le Web a converti les données de forme d'onde temporelle en forme d'onde RMS et en spectres de vibrations. À l'aide des lectures de vitesse de l'encodeur, l'analyse automatisée a mis à l'échelle les données de vibration de manière appropriée.

Le 24 janvier, les niveaux de vibrations ont déclenché une alerte. Grâce au système de surveillance continue, l'usine a pu maintenir la ligne en marche jusqu'au 5 février, date à laquelle elle a remplacé le roulement (voir figure 3).

Figure 3 : La tendance RMS des vibrations des roulements à rouleaux de l'enrouleur montre l'émergence du défaut (encart) le 24 janvier (flèche rouge). Les niveaux de vibration sont revenus à la ligne de base après réparation le 5 février.

Atteindre un actif tel qu'un ventilateur de tour de refroidissement ou un moteur d'ascenseur peut nécessiter des précautions de sécurité extraordinaires (et un confort avec les hauteurs). Et certains actifs sont tout simplement pénibles à surveiller, peut-être à cause des espaces restreints, parce que le boîtier chauffe à trois chiffres en été, ou parce que l'accès à l'actif nécessite le retrait des protections.

Atouts liés à la sécurité : Tout actif dont la défaillance présente un risque de blessure immédiate ou de mort doit être suivi par une surveillance continue des vibrations en ligne. Cela inclut les actifs dont la défaillance peut causer des dommages immédiats aux opérateurs à proximité et ceux dont la défaillance pourrait créer une situation dangereuse, pour le personnel et l'installation dans son ensemble.

Un fabricant de produits en bois souffrait d'un taux élevé de défaillance des dépoussiéreurs utilisés pour capturer la sciure de bois dans son usine de fabrication. La capture de la poussière est essentielle à la sécurité - la dispersion aérienne de la sciure de bois crée un environnement explosif de classe 1/division I. Lorsque les dépoussiéreurs tombent en panne, la production aussi. L'opération devait trouver un système d'alerte précoce pour aider à anticiper les pannes.

L'application est à la fois critique pour la sécurité et la production, elle est donc mieux servie par une surveillance continue des vibrations en ligne. La granularité des données n'a pas seulement permis d'identifier les problèmes et d'anticiper les défaillances, elle a également aidé à diagnostiquer la cause première. Le système de surveillance a été configuré pour capturer les données de vibration une fois par heure. Vue sur un mois, la tendance des vibrations RMS a montré une baisse.

Lorsque le technicien de fiabilité a visualisé la forme d'onde temporelle, il a remarqué que les pointes causées par l'impact des rouleaux de roulement contre les chemins de roulement diminuaient temporairement pendant 24 à 48 heures après la lubrification, avant d'augmenter à nouveau. Pour tester la théorie selon laquelle le problème était une lubrification insuffisante, ils ont augmenté la quantité de lubrifiant distribuée chaque mois. Les échecs ont immédiatement diminué et les performances se sont améliorées.

Éléments problématiques : Lorsque la surveillance basée sur l'itinéraire détecte un défaut en développement, la maintenance a le choix entre effectuer la réparation immédiatement ou retarder la réparation tout en continuant à surveiller le problème. Une réparation immédiate évite le coût de remplacement d'un actif qui a encore une durée de vie viable, mais cela implique un risque calculé que l'actif ne tombe pas en panne entre les lectures. La surveillance basée sur les itinéraires devient de moins en moins rentable lorsque les fréquences augmentent à hebdomadaires, voire quotidiennes. La surveillance en ligne continue non seulement prend des lectures à des intervalles suffisamment courts pour détecter des changements rapides de condition, mais peut être configurée pour envoyer automatiquement des alertes lorsque les vibrations dépassent certains seuils.

Actifs à vitesse variable : Certaines classes d'actifs accélèrent et décélérent constamment, ce qui peut entraîner une défaillance prématurée des roulements. Les rouleaux d'enroulement/déroulage dans le traitement de la bande, par exemple, échouent fréquemment en raison de ce mode de fonctionnement.

Les installations modernes peuvent avoir des centaines, voire des milliers de points de défaillance potentiels. Aucune approche unique de surveillance des conditions ne peut être efficace dans tous les cas. La surveillance basée sur les routes est inadéquate pour suivre les défauts qui se développent rapidement. Même la dernière génération de systèmes de surveillance continue des vibrations en ligne abordables devient chère pour un nombre élevé de points. La meilleure approche est une stratégie hybride.

Auditez l'installation et déterminez quels actifs sont de bons candidats pour les systèmes en ligne continus et lesquels sont mieux servis par une surveillance basée sur les itinéraires. En créant un programme de surveillance hybride, vous pouvez rationaliser la maintenance, augmenter la disponibilité, garantir la sécurité et maximiser la productivité et la rentabilité de l'ensemble de l'exploitation.

À propos de l'auteur

Derek Lammel, spécialiste de la fiabilité, Dynapar Corporation. Derek Lammel, analyste en vibrations de catégorie III, possède une vaste expérience dans plusieurs piliers de la maintenance prédictive utilisant l'analyse des vibrations, la thermographie, l'analyse des huiles et les technologies à ultrasons. Derek a passé 9 ans dans la marine américaine à travailler à l'étranger dans la maintenance aéronautique avec le Patrol Wing Reconnaissance Squadron 45. Derek a rejoint Dynapar en 2019 et est l'expert en matière d'analyse des vibrations pour les produits et services de Dynapar. Avant de rejoindre Dynapar, Derek a travaillé pour SKF Reliability Systems en tant qu'ingénieur de fiabilité sur le terrain dans diverses industries telles que les pâtes et papiers, la production d'acier, l'agroalimentaire et l'exploitation minière, développant des stratégies prédictives pour augmenter la disponibilité des clients.