Les bases de l'analyse des vibrations

Il existe diverses méthodes d'essais non destructifs (END) que nous pouvons utiliser pour évaluer l'état des différents composants de la machine, sans qu'il soit nécessaire d'arrêter et de démonter l'équipement. L'analyse des vibrations est un outil CND de premier plan utilisé dans de nombreuses industries.

Dans cet article, nous examinerons de très près les subtilités du processus d'analyse des vibrations, les paramètres, les outils et les cas d'utilisation.

Pourquoi les vibrations ?

Des vibrations se produisent dans toutes les machines en mouvement pendant leur fonctionnement. Chaque matériau a un modèle caractéristique de vibration dans des conditions spécifiques. La mesure, l'enregistrement et l'étude des changements de ces caractéristiques de vibration peuvent être utilisés pour comprendre les changements dans le matériau de test lui-même.

Qu'est-ce que l'analyse vibratoire ?

L'analyse des vibrations est un processus qui utilise des signaux de vibration pour identifier des anomalies dans les modèles de vibration. Un changement dans le modèle de vibration indique un changement dans les propriétés physiques de l'objet de test.

Dans la maintenance des équipements, l'analyse des vibrations nous aide à suivre et à évaluer l'état de nos équipements.

Lorsqu'un modèle anormal est observé, nous pouvons effectuer une analyse des causes profondes pour identifier la raison du changement. Une fois que nous savons que, si cela est jugé nécessaire, nous pouvons planifier une action de maintenance corrective appropriée.

Où et quand est-il utilisé ?

L'analyse des vibrations est adaptée pour tester les composants soumis à un mouvement de rotation, c'est-à-dire les composants soumis à des forces de torsion. Il est utilisé pour tester ou suivre les conditions de :

• roulements, engrenages, arbres, rotors
• moteurs, ventilateurs, transmissions, boîtes de vitesses
• pompes, moteurs à pistons, compresseurs et autres machines alternatives

Ne considérez pas cela comme une liste complète - l'analyse des vibrations a de nombreuses autres applications de niche et ne se limite pas aux machines tournantes ou aux vibrations des machines.

Par exemple, les données de vibration peuvent être recueillies pour mesurer les changements et les fluctuations des champs électriques et magnétiques, ainsi que pour surveiller l'intégrité structurelle des ponts, des tuyaux et d'autres infrastructures.

Inspecter les boîtes de vitesses

Les engrenages cassés sont fréquents dans les boîtes de vitesses. Les engrenages cassés causeront beaucoup de dégâts avant que vous ne puissiez voir que quelque chose ne va pas. L'analyse des vibrations permet d'identifier rapidement les dents d'engrenage cassées, sans qu'il soit nécessaire de démonter quoi que ce soit.

De cette façon, nous pouvons créer un ordre de travail et résoudre le problème avant qu'il ne provoque une défaillance catastrophique.

Détecter les défauts des roulements

Les défauts de roulement provoquent des vibrations excessives dans les machines avec des pièces en rotation. La surveillance des conditions des roulements à l'aide de l'analyse des vibrations vous aide à identifier les défaillances des roulements et à prendre les mesures correctives appropriées.

L'analyse des vibrations met en lumière le défaut exact du roulement, qui peut inclure :

• chargement inversé
• faux brinelling
• surchauffe
• fatigue
• corrosion
• problèmes d'ajustement
• désalignement
• déséquilibre

Surveillance de l'état des pipelines

Les oléoducs sont un autre excellent exemple d'opérations dissimulées. Un problème courant ici est la corrosion qui peut entraîner des fuites et des risques d'incendie. Comme vous pouvez probablement le deviner maintenant :en utilisant les données de fréquences d'oscillation et de vibration, il est possible d'analyser et de mesurer la corrosion à l'intérieur des canalisations à l'aide de l'analyse des vibrations.

Les tuyaux corrodés qui transportent le fluide avec un débit fixe ont des caractéristiques de vibration différentes par rapport à un pipeline sain avec le même débit.

Processus d'analyse des vibrations

Les étapes standard que nous devons suivre pour effectuer une analyse des vibrations sont :

1. Établir une base de référence . Effectuez une analyse des vibrations sur une machine qui fonctionne avec des caractéristiques idéales. Les niveaux de vibration sont enregistrés pour servir de référence pour ce (type de) machine.
2. Développez une routine . L'analyse doit être effectuée à intervalles réguliers. Choisissez un intervalle approprié pour effectuer l'analyse des vibrations. L'intervalle choisi doit refléter les caractéristiques de la machine et les conditions de fonctionnement. (Si vous installez des capteurs pour diffuser des données de vibration en temps réel, vous pouvez ignorer cette étape.)
3. Standardiser le processus . Les outils et techniques utilisés pour effectuer l'analyse des vibrations doivent être standardisés. L'utilisation du même équipement avec des SOP cohérentes devrait donner des résultats comparables.
4. Assurer la tenue des dossiers . Les résultats de toutes les analyses périodiques doivent être stockés. Cela permet de conserver un enregistrement des données historiques de la machine. Ceci est essentiel pour une analyse continue. (Si vous disposez d'un système de surveillance en ligne, il stockera automatiquement les données de vibration passées.)
5. Effectuer une analyse des vibrations . Le résultat de chaque inspection d'analyse des vibrations est comparé aux données de base pour détecter les anomalies et les défauts et effectuer les travaux de maintenance requis.

Paramètres de mesure des vibrations

Chaque vibration, représentée sous forme d'onde, a une fréquence, une amplitude et une période :

• Fréquence :C'est le nombre de vibrations se produisant chaque seconde. La fréquence est mesurée en Hertz (Hz).
• Amplitude :C'est le déplacement maximum de l'onde par rapport à la position d'équilibre. La valeur RMS est la valeur couramment utilisée pour l'amplitude.
• Période :Le temps entre deux crêtes ou creux dans une forme d'onde est la période. Elle est mesurée en secondes ou en d'autres unités de temps appropriées. La période est l'inverse de la fréquence.

En analyse vibratoire, l'amplitude est mesurée et enregistrée en fonction de trois paramètres physiques. Ce sont :

• Déplacement :Représente la distance entre la position au repos du composant et la position maximale à laquelle il s'écarte. Il mesure combien le composant se déplace. Les unités de mesure sont les millimètres (mm), les micromètres (μm) ou d'autres unités de déplacement appropriées.
• Vitesse :Représente le déplacement par unité de temps. C'est une mesure de la vitesse à laquelle le composant vibre. Les unités sont des millimètres par seconde (mm/s) ou des micromètres par seconde (μm/s).
• Accélération :Représente le taux de changement de vitesse. Il est le plus élevé lorsque le mouvement du composant s'inverse en sens. Elle se mesure en millimètres par seconde carrée (mm/s2) ou en micromètres par seconde carrée (μm/s2).

Les vibrations peuvent être divisées en trois catégories basées sur les perceptions humaines ; quelque chose que nous pouvons voir, sentir en touchant ou entendre. Source : IMV Corporation  

Avez-vous besoin d'un équipement spécial d'analyse des vibrations pour effectuer l'AV ?

La réponse est oui. Nous ne pouvons pas mesurer les vibrations avec un tournevis. Discutons brièvement de l'équipement d'analyse des vibrations important que vous devez connaître.

Capteurs de vibrations

Différents paramètres de vibration sont mesurés avec différents types de capteurs. Par conséquent, nous pouvons différencier les capteurs de déplacement, les capteurs de vitesse et les accéléromètres.

Les types les plus couramment utilisés sont les capteurs accéléromètres tels que les accéléromètres piézoélectriques, les capteurs microélectromécaniques (MEMS), les sondes de proximité, les vibromètres laser Doppler et similaires.

Différents types de capteurs de vibrations 

Quel capteur acheter ? Eh bien, cela dépend de votre application. Mis à part le prix d'achat, vous devez prendre en compte des fonctionnalités telles que :

• amplitude des vibrations
• sensibilité
• bande passante
• bruit
• options de montage du capteur
• nombre d'axes qu'il peut couvrir à la fois
• fréquence d'échantillonnage

Nous n'entrerons pas dans trop de détails ici, mais pour tous ceux qui souhaitent en savoir plus sur ces fonctionnalités, lisez cet excellent guide sur le choix du bon capteur pour l'analyse des vibrations.

Logiciel d'analyse des vibrations

Voici une courte liste des différents logiciels d'analyse vibratoire que nous avons rencontrés en écrivant cet article :

• Analytique de l'IE
• Vibinspect de ReVibe Energy
• Déployer
• Logiciel de contrôle de Vibration Research
• ProAnalyst de Xcitex
• Logiciel de laboratoire d'enDAQ
• Outils FEM

Certaines de ces solutions sont utilisées spécifiquement pour l'analyse des vibrations, tandis que d'autres font partie de progiciels plus importants qui ont de nombreuses autres applications. Faites preuve de diligence raisonnable avant de faire des achats.

Système de surveillance des vibrations en ligne

Le système de surveillance des vibrations en ligne présente une configuration dans laquelle :

• vous avez installé des capteurs de vibrations sur votre équipement critique
• ces capteurs envoient en permanence des données en temps réel dans le cloud
• le logiciel de vibration que vous avez sélectionné lit et analyse les données de vibration entrantes et émet des avertissements et des recommandations

Sur la base de l'analyse, vous pouvez planifier les actions de maintenance appropriées.

Équipement portable de surveillance des vibrations 

L'installation de capteurs n'est pas le seul moyen d'obtenir des données de vibration. Il existe de nombreux ingénieurs et techniciens de maintenance d'équipements de vibration portables pouvant être utilisés pour effectuer des mesures de vibration.

Équipement portable de surveillance des vibrations

Les vibromètres portatifs sont très utiles pour les organisations qui exécutent une maintenance conditionnelle. Ils peuvent utiliser un système de gestion de maintenance informatisé (GMAO) pour planifier des mesures de vibration régulières pour différents composants/machines.

La partie « analyseur » de l'analyse vibratoire

Les données des capteurs et équipements de vibration sont collectées et enregistrées par des outils logiciels de collecte de données. Le logiciel enregistre les données dans l'un des deux formats (ou dans les deux) :

1. Forme d'onde temporelle :La forme d'onde temporelle correspond aux données brutes du capteur. Les deux variables constituant la forme d'onde sont l'amplitude et le temps. De nos jours, son utilisation est de plus en plus rare.
2. Transformée de Fourier rapide (FTT) :L'onde de transformée de Fourier rapide est générée à partir de la forme d'onde temporelle. L'amplitude est représentée sous forme de fréquence tracée en fonction du temps. La technologie informatique a fait de FFT un outil bien meilleur pour analyser la santé des machines.

Les données de vibration du capteur peuvent être analysées par des analystes de vibrations ou des ingénieurs de fiabilité qualifiés. Des algorithmes informatiques et des outils d'analyse peuvent également être utilisés pour détecter les anomalies et vérifier la santé des composants testés.

Utilisation de l'analyse spectrale FTT pour l'analyse des vibrations. Source : IMV Corporation  

L'analyse de la forme d'onde temporelle peut montrer s'il y a des défauts chez le sujet de test. Mais il ne peut pas déterminer la cause de l'anomalie . Avec Fast Fourier Transform, d'autre part, nous sommes en mesure d'identifier la cause première du défaut.
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Montrons cela à l'aide d'un exemple.

Imaginez que vous effectuez une analyse des vibrations du monde réel sur un système avec un moteur, une courroie et un arbre de transmission. Les données de vibration sont détectées par des capteurs appropriés et enregistrées via un logiciel d'analyse. Les données sont capturées sous la forme d'une simple forme d'onde temporelle. Vous pouvez identifier qu'il y a une anomalie par rapport à la ligne de base. Mais rien de plus. La forme d'onde temporelle ne peut pas déterminer si le défaut provient du moteur, de la courroie ou de l'arbre de transmission.

C'est là que FFT entre en jeu. Puisque FFT donne des formes d'onde discrètes pour chacun des différents composants (moteur/courroie/arbre de transmission) , vous pouvez localiser l'emplacement exact du défaut, ce qui conduit finalement à un temps d'arrêt beaucoup plus court. L'utilisation d'algorithmes pour effectuer l'analyse a rendu la FFT plus précise et plus précise.

Formation, certification et accréditation

L'analyse des vibrations est effectuée par des ingénieurs de fiabilité et des analystes de vibrations formés. Il existe des instituts qui forment et certifient des analystes vibratoires et des ingénieurs de fiabilité pour effectuer des analyses vibratoires :

• Société américaine pour les essais non destructifs (ASNT) est un pionnier dans l'accréditation des ingénieurs de fiabilité pour les essais non destructifs. L'analyse des vibrations fait partie des cours et des certifications de l'ASNT.
• L'institut des vibrations se consacre à la formation et à la certification des analystes vibratoires. La certification va de la Catégorie I à la Catégorie IV analystes vibratoires. Vibration Institute est reconnu par l'American National Standards Institute (ANSI).
• Institut Mobius offre une formation en surveillance de l'état, en maintenance et en ingénierie de la fiabilité des actifs. Ils offrent des formations et des certifications pour l'analyse des vibrations. Les certifications de l'institut sont accréditées par l'Organisation internationale de normalisation (ISO).

Notons également que le département américain du Travail reconnaît également les spécialistes des Essais Non Destructifs. Cela comprend des spécialistes spécialisés dans l'analyse des vibrations. Au-delà de cela, chaque pays a ses propres systèmes de certification et d'accréditation pour reconnaître les ingénieurs de fiabilité qualifiés.

Analyse vibratoire et maintenance des équipements

Voici de brèves explications sur la façon dont les mesures de vibration peuvent aider dans les scénarios de maintenance proactive et réactive.

Utilisation de l'analyse des vibrations pour la maintenance prédictive

Savoir quand et pourquoi un composant ou une machine tombera en panne est la clé du succès des programmes de maintenance prédictive. L'analyse des vibrations fournit des points de données utiles que vous alimenterez dans votre modèle de données prédictif, afin d'améliorer sa précision dans la prévision des pannes d'équipement.

Pour tirer le meilleur parti de l'analyse vibratoire et de l'analyse prédictive, vous devez la combiner avec un logiciel de GMAO moderne comme Limble. Limble peut communiquer avec votre capteur de vibrations et, en fonction de la façon dont vous l'avez configuré, déclencher automatiquement des ordres de travail d'urgence.

Un WO déclenché dans Limble CMMS basé sur les données du capteur de vibration 

Utilisation de l'analyse vibratoire pour les pannes et la maintenance corrective

L'analyse des vibrations peut également être utile dans un scénario réactif. Vous pouvez effectuer une analyse des vibrations dans le cadre de votre processus de maintenance en cas de panne pour vous aider à identifier la cause première de la panne. Cela vous aidera à :

1. prendre les mesures correctives appropriées pour résoudre le problème
2. éviter qu'une panne similaire ne se reproduise à l'avenir

Si vous utilisez Limble CMMS, les techniciens peuvent laisser des commentaires lors de la fermeture d'un ordre de travail, laissant des notes importantes sur les causes de défaillance découvertes, les données de test de vibration, l'état de l'équipement et les temps d'arrêt.

Ces données peuvent être utilisées par :

• ingénieurs en fiabilité lors de l'analyse des défaillances
• responsables de maintenance pour évaluer les coûts de maintenance
• par d'autres techniciens pour accélérer les futurs processus de dépannage et de réparation sur ce type d'équipement

Avantages et limites de l'analyse vibratoire

Comme tout autre outil ou technique de maintenance, l'analyse vibratoire présente des avantages et des limites spécifiques. Les connaître vous aidera à identifier des cas d'utilisation viables pour l'analyse des vibrations dans votre usine

Avantages de l'analyse des vibrations :

• Il peut être utilisé pour surveiller les composants difficiles d'accès sans arrêts planifiés.
• Avec la bonne configuration, il peut être utilisé à distance.
• Il peut fournir des informations en temps réel sur l'état de vos actifs critiques.
• Il existe de nombreuses SOP, méthodologies et logiciels établis que vous pouvez utiliser pour simplifier le processus d'analyse des vibrations.
• Aujourd'hui, il existe de nombreux capteurs disponibles dans le commerce et développés pour suivre des conditions opérationnelles spécifiques.

Limites de l'analyse des vibrations :

• Une expertise, une formation et des certifications sont nécessaires pour effectuer correctement l'analyse des vibrations.
• Il ne peut pas être utilisé pour suivre les défauts à évolution rapide (défauts qui se propagent dans la machine dans un court laps de temps).
• Cela nécessite un investissement initial dans des équipements de vibration et des outils logiciels.
• Il peut être compliqué de procéder à la localisation des défauts.

En fin de compte, la surveillance des vibrations est un allié puissant pour toute organisation qui exécute une maintenance prédictive ou une maintenance conditionnelle. Cela étant dit, toute mise en œuvre de capteurs et d'outils doit être précédée d'une analyse coûts-bénéfices.

Le lève-tôt attrape le ver

Détecter la détérioration de l'équipement le plus tôt possible peut faire économiser à votre organisation une tonne d'argent à long terme, surtout si vos processus commerciaux reposent sur des actifs physiques coûteux.

Avec plus de marge de manœuvre, votre équipe de maintenance a amplement le temps de commander des pièces de rechange, d'allouer les outils nécessaires et de planifier les travaux de maintenance en coordination avec la production et les autres départements.

Grâce à la GMAO, à l'analyse vibratoire et à d'autres outils de maintenance conditionnelle, l'organisation des travaux de maintenance n'a jamais été aussi simple.