Guide de l’analyse des vibrations

Qu’est-ce que l’analyse des vibrations ?

L’analyse des vibrations collecte et traite des données sur les vibrations mécaniques d’une machine, d’un composant ou d’une structure. Elle est utilisée pour détecter des vibrations anormales pouvant indiquer l’état général de l’objet testé. Un grand nombre d’outils et de techniques d’analyse des vibrations ont été conçus pour mesurer, stocker et extraire des informations sur les vibrations. Ces techniques permettent de surveiller l’état des machines et peuvent aider une entreprise à améliorer sa productivité, à réduire ses coûts et à produire des biens de manière plus durable.

Pourquoi mesurer les vibrations ?

Mesurer les vibrations offre un certain nombre d’avantages aux ingénieurs chargés de surveiller l’état des structures et des composants. Cela peut permettre aux ingénieurs de réagir en temps réel aux changements d’état des composants et permet de surveiller l’état à distance. Il existe également des techniques d’analyse des vibrations bien établies qui peuvent être utilisées pour la maintenance prédictive.

Les deux principales applications de surveillance des vibrations consistent à protéger l’intégrité structurelle des infrastructures telles que les ponts et les pipelines et ainsi garantir leur sécurité d’utilisation, et à surveiller les composants tels que les moteurs et les roulements pour prolonger leur fonctionnement et gérer leurs cycles de vie et leur maintenance.

• Vibrations dans les moteurs et autres pièces mobiles

Des vibrations peuvent également se produire à cause des moteurs et d’autres composants mobiles. Il est normal que les moteurs génèrent de petites vibrations, cependant, des changements ou des augmentations des vibrations du moteur peuvent indiquer des problèmes. Il existe plusieurs causes potentielles de vibration du moteur, notamment des déséquilibres dus à des défauts de composants, des engrenages mal alignés, des dysfonctionnements des roulements, une usure générale des roulements et d’autres pièces, ou un moteur mal fixé à son support.

Les vibrations pourraient indiquer des problèmes qui réduisent l’efficacité énergétique du moteur et qui, donc, augmentent les coûts. Alors que les prix de l’énergie augmentent, cela devient une préoccupation croissante. Cependant, les coûts les plus élevés surviennent généralement lorsqu’un moteur tombe en panne. Outre les coûts de remplacement ou de réparation, une panne peut interrompre la production, provoquer une perte de revenus et entraîner des coûts supplémentaires en raison de la nécessité de remplacer les matériaux endommagés.

• Assurer l’intégrité structurelle

Une autre utilisation de l’analyse des vibrations consiste à surveiller l’intégrité structurelle d’éléments d’infrastructure tels que les ponts, les tuyaux et les éoliennes. Par exemple, à mesure que les éoliennes deviennent plus grandes, elles deviennent sujettes à des vibrations structurelles plus élevées. Mesurer les vibrations « normales » d’une pale d’éolienne, puis les comparer aux changements observés dans ce modèle peut indiquer un problème structurel, ce qui permet de résoudre le problème avant qu’il ne provoque une défaillance catastrophique.

La défaillance d’un composant peut également se produire rapidement en raison des vibrations induites par l’application d’une surcharge d’impact, qui est une charge transitoire qui présente une amplitude très élevée sur une courte durée. Les équipements électroniques, par exemple, peuvent être livrés avec des capteurs pour détecter les vibrations et les impacts excessifs.

Comment mesure-t-on les vibrations ?

Les capteurs de vibrations sont des appareils qui mesurent la force et la fréquence d’une vibration dans un composant ou un système particulier. La fréquence de la vibration indique quand la vibration se produit. Le suivi des pics de vibrations peut aider à trouver la cause première du problème. Les capteurs de vibrations enregistrent également l’intensité des vibrations : plus l’équipement présente de vibrations, plus l’intensité des mesures est élevée.

Il existe différents types de capteurs de vibrations, chacun travaillant sur des principes différents et ayant sa propre application. Certains nécessitent un contact direct avec le composant testé, tandis que d’autres peuvent détecter les vibrations à distance. Les types de capteurs de vibrations les plus courants sont les accéléromètres, mais les jauges de contrainte et les capteurs à microphone sont également largement utilisés.

• Accéléromètres

Les accéléromètres mesurent les changements de vitesse du composant. Les vibrations indiquent un changement de vitesse, ces changements qui amènent l’accéléromètre à produire un signal électrique. Ces signaux peuvent être traités pour produire des données sur les vibrations utilisables. Les accéléromètres piézoélectriques sont le type le plus largement utilisé. Ils sont populaires, car ils produisent un signal fort et clair à la plupart des fréquences, bien que les accéléromètres piézorésistifs deviennent également de plus en plus courants. Ceux-ci sont aptes à détecter les hautes et basses fréquences, bien qu’ils soient nettement plus chers que le type piézoélectrique.

• Jauges de contrainte

Une autre méthode de contact est les jauges de contrainte, qui prennent la forme d’une feuille appliquée directement sur le composant. La feuille contient une grille électriquement conductrice qui se déforme lorsque le composant subit des vibrations. Ces déformations modifient la résistance électrique de la grille et, en lisant le temps mis par un courant électrique pour la traverser, la vibration de l’objet peut être évaluée.

Pour fonctionner, les jauges de contrainte doivent être correctement collées à la surface du composant, ce qui peut rendre leur installation longue.

• Capteurs à microphone

Les capteurs à microphone sont également populaires. Les vibrations créent un son qui dépasse souvent la portée de l’ouïe humaine. Les capteurs à microphone peuvent détecter les changements dans ces sons à haute fréquence et constituent une méthode rentable pour fournir des informations de base. Ils sont souvent utilisés avec des accéléromètres.

Il existe une vaste gamme de capteurs de vibrations disponibles pour répondre aux exigences de presque toutes les applications.

Quelles sont les principales techniques d’analyse des vibrations ?

Une fois que les données ont été acquises par les capteurs, elles doivent être traitées pour détecter les problèmes. Les techniques d’analyse des vibrations reposent sur trois méthodes principales : l’accélération maximale, l’analyse fréquentielle et l’intelligence artificielle. L’accélération maximale examine la quantité de mouvement de l’objet vibrant, l’analyse fréquentielle examine la vitesse à laquelle ces mouvements se produisent et l’IA utilise des données pour repérer les modèles qui pourraient indiquer des défauts.

• Accélération maximale

L’accélération maximale examine les vibrations dans le domaine temporel. Elle trace l’amplitude de la vibration du point le plus élevé de la forme d’onde enregistrée au point le plus bas et effectue un tracé par rapport à l’axe du temps. Cela donne une valeur d’accélération en G. En tant que taux de changement de vitesse, cela représente les forces subies par l’équipement ou le composant. L’accélération met particulièrement l’accent sur les hautes fréquences et constitue un outil utile pour évaluer l’état des roulements.

La vitesse est dérivée des données d’accélération et représente le taux de changement de déplacement. Il s’agit d’une mesure de la fatigue mécanique.

Les formes d’onde temporelles montrent un court échantillon de données de vibration brutes, fournissant un aperçu de l’état des machines qui n’est pas toujours facile à interpréter à partir du spectre de fréquences.

• Analyse fréquentielle

Tout comme un morceau de musique est composé de différentes fréquences, les vibrations ressenties par une machine sont également composées de différentes fréquences. Par exemple, la vibration totale peut être composée de nombreuses vibrations différentes provenant du moteur, du roulement, de l’arbre d’entraînement ou de nombreux autres composants. Pour analyser ces nombreuses fréquences, des transformations de Fourier rapides (FFT – Fast Fourier Transforms) sont utilisées. La technique décompose le signal en toutes ses fréquences constitutives, le convertissant du domaine temporel au domaine fréquentiel.

La transformation de Fourier rapide est le plus souvent utilisée pour détecter les défauts des machines tels que le désalignement ou le déséquilibre.

• Intelligence artificielle

Les systèmes de mesure des vibrations peuvent collecter de grandes quantités de données. Il est donc difficile pour les analystes humains des vibrations d’analyser et d’identifier les modèles. Une solution consiste à amplifier leurs efforts en s’appuyant sur les techniques d’intelligence artificielle (IA).

Comme les outils d’intelligence artificielle excellent dans les tâches de routine, ils peuvent examiner instantanément chaque donnée de vibration et décider si elle n’est pas pertinente ou s’il s’agit d’une anomalie qui doit être signalée pour y porter une attention plus approfondie. La capacité des systèmes d’IA à utiliser des techniques de machine learning signifie qu’ils n’ont pas besoin d’être programmés pour savoir à quoi ressemblent les signaux anormaux. Ils peuvent étudier les vibrations régulières, puis identifier les signaux de vibration qui diffèrent de ces conditions normales.

L’utilisation de l’IA pour repérer les signes avant-coureurs dans les données peut aider les analystes des vibrations à se concentrer sur l’élaboration de plans pour répondre à ces avertissements. À ce titre, l’IA est un outil important dans le développement d’une culture de maintenance prédictive.

Utilisation de l’analyse des vibrations pour la maintenance prédictive

De nombreuses organisations s’orientent vers la maintenance prédictive afin de maximiser la disponibilité et la durée de vie de leurs actifs de production. Cela diffère des techniques traditionnelles telles que la maintenance réactive. En cela, l’actif n’est réparé qu’après une panne, ce qui perturbe la production. La maintenance préventive peut également être perturbatrice, car elle est effectuée à des intervalles recommandés plutôt que lorsque la machine l’exige ou lorsque les calendriers de production le permettent.

En prédisant quand une machine ou un actif pourrait tomber en panne et quand intervenir pour l’éviter, la maintenance prédictive offre plusieurs avantages. L’un d’entre eux est de réduire la fréquence des tâches de maintenance, de réduire les arrêts non planifiés et d’économiser les ressources.

L’utilisation de la maintenance prédictive est facilitée par l’utilisation d’un système informatisé de gestion de la maintenance ou SIGE, qui centralise les informations de maintenance, facilite les procédures et automatise certaines tâches pour gagner en efficacité. Un SIGE optimise l’utilisation, la disponibilité et la durée de vie des équipements et des machines pour assurer une productivité et un retour sur investissement maximaux.

L’un des principes de la maintenance prédictive est d’identifier et de surveiller les équipements critiques. Il peut s’agir de tout élément ou machine qui, s’il devait être mis hors ligne, pourrait perturber gravement la production, entraîner un incident de sécurité important ou entraîner une violation de la législation sur la conformité environnementale. Les moteurs sont largement utilisés dans l’industrie, sous-tendant de nombreux processus, et peuvent donc souvent être classés comme critiques. L’analyse continue des vibrations des moteurs et les machines qu’ils entraînent ou alimentent peuvent aider à détecter des conditions anormales, révélant des problèmes de lubrification ou une usure excessive des roulements.

L’analyse des vibrations peut également être utilisée pour surveiller l’état des équipements fortement utilisés, des actifs qui sont utilisés 24 heures sur 24 avec peu de pauses. Les capteurs de vibrations peuvent envoyer des alertes lorsque les conditions changent afin que les arrêts puissent être réduits au minimum.

Certaines machines telles que les équipements de climatisation, les grues ou les navires de traitement sont difficiles à entretenir, car elles se trouvent sur des sites difficiles d’accès, nécessitent des travaux en hauteur ou se trouvent dans des zones dangereuses pour la santé. La surveillance des vibrations anormales permet d’effectuer la maintenance à des moments plus pratiques et évite au personnel d’entrer inutilement dans des zones potentiellement dangereuses.