Utilisation de l’analyse des vibrations pour la maintenance prédictive

Les ingénieurs en production et en maintenance cherchent constamment à maximiser les performances de leurs machines et à minimiser les temps d’arrêt. La maintenance prédictive est de plus en plus utilisée pour atteindre ces objectifs. Comme les vibrations sur les équipements peuvent indiquer des problèmes, la collecte de données sur les vibrations est essentielle à cette approche.

L’analyse des vibrations permet aux ingénieurs d’évaluer l’état des appareils, tels que les pompes et les moteurs. En recueillant en continu des données sur les vibrations, les ingénieurs peuvent prédire quand l’équipement a besoin d’une tâche de maintenance. Les données sur les vibrations sont faciles à collecter et sont très efficaces pour identifier les problèmes des équipements qui utilisent des moteurs.

Qu’est-ce que la maintenance prédictive ?

La maintenance prédictive est conçue pour évaluer l’état d’un équipement et déterminer quand les tâches de maintenance doivent être effectuées. L’état de l’équipement est évalué à l’aide d’une surveillance périodique ou continue de l’état, basée sur des techniques non destructives telles que l’analyse acoustique, infrarouge et des vibrations.

L’aspect prédictif de la méthode reflète l’objectif de prédire l’évolution de l’état de l’appareil dans le temps, sur la base de techniques statistiques. L’objectif est d’effectuer la maintenance de l’actif au moment le plus rentable pour s’assurer qu’il continue de fonctionner comme prévu, tout en minimisant les interruptions de production.

En tant que telle, la maintenance prédictive est un processus de maintenance basé sur les conditions. On peut la comparer à la maintenance préventive, une méthode basée sur le temps dictée par des intervalles de maintenance prédéfinis qui accordent peu d’attention à l’état réel de la machine. Comme ces tâches de maintenance ne correspondant pas nécessairement aux calendriers de production, ils peuvent être perturbateurs et donc entraîner des pertes.

L’exécution d’une maintenance préventive selon un calendrier fixe comporte également le risque que des pièces soient remplacées avant que cela ne soit nécessaire, ce qui entraînerait des coûts supplémentaires. Travailler inutilement sur une machine peut également entraîner des problèmes en raison du risque de remplacement incorrect des pièces ou de désalignement des composants. Bien que la maintenance préventive puisse être plus facile à planifier, elle peut également nécessiter plus de temps, de pièces et d’argent que nécessaire.

Avantages de la maintenance prédictive

De nombreuses industries, comme l’alimentation et les boissons ou encore le traitement de l’eau et des eaux usées, dépendent du fonctionnement continu d’actifs critiques tels que les moteurs et les pompes. Ces dispositifs doivent fonctionner pour s’assurer que les clients obtiennent les produits alimentaires ou les services d’approvisionnement en eau dont ils ont besoin. Le défaut d’approvisionnement peut entraîner pour ces entreprises des sanctions financières ou des problèmes judiciaires.

Un programme de maintenance prédictive cherche à éviter ces conséquences en éliminant les pannes inattendues et donc les temps d’arrêt imprévus. Lorsque les temps d’arrêt ne sont pas planifiés, les personnes et les actifs sont utilisés en « mode d’urgence », ce qui entraîne des inefficacités. Les techniciens de maintenance se consacrent à la réparation de l’actif défaillant et ne sont pas disponibles pour effectuer la maintenance planifiée sur d’autres machines.

Si l’actif n’était pas censé tomber en panne, il se peut qu’il n’y ait pas de pièces de rechange pour les composants de la machine en question. Bien qu’il existe des fournisseurs qui peuvent fournir des pièces de rechange rapidement, comme Farnell, cela introduit des retards inévitables de remise en état de fonctionnement de la machine. En revanche, une entreprise peut avoir trop de pièces de rechange en stock pour certaines machines, immobilisant inutilement son fonds de roulement.

La maintenance prédictive permet de savoir quelle machine et quel composant de la machine sont susceptibles de tomber en panne et à quel moment. Cela permet au personnel de maintenance d’enquêter plus efficacement sur l’état de la machine, de programmer les tâches de maintenance pour se conformer aux calendriers de production et d’effectuer les réparations avant que la machine ne tombe en panne.

Un programme de maintenance prédictive correctement mené réduira considérablement, voire éliminera, les temps d’arrêt imprévus causés par des pannes de machine. Il contribuera également à améliorer l’utilisation de la main-d’œuvre, permettant de planifier ses tâches de manière plus rationnelle et efficace. Un avantage majeur est la capacité de production accrue qui peut être acquise. Par exemple, si une machine n’est mise hors service qu’en cas d’absolue nécessité plutôt que selon les diktats d’un calendrier préétabli, le temps disponible pour effectuer un travail utile augmente.

De même, s’éloigner de la maintenance préventive et adopter une culture de maintenance prédictive peut aider à éliminer les tâches de routine qui n’ajoutent aucune valeur, réduisant ainsi les coûts de maintenance globaux. Avec une meilleure compréhension de l’état réel de la machine, cette dernière peut être entretenue comme il se doit, ce qui augmente sa durée de vie.

Ces avantages peuvent être assez importants. Dans le livre Plant Engineer’s Handbook, R. Keith Mobley (2001) cite de nombreux avantages de la maintenance prédictive, notamment :

• Coûts de maintenance – en baisse de 50 %
• Pannes inattendues – réduction de 55 %
• Temps de réparation et de révision – en baisse de 60 %
• Inventaire de pièces de rechange – réduction de 30 %
• Temps moyen entre les pannes – en hausse de 30 %
• Disponibilité – en hausse de 30 %

Dans une usine de fabrication typique, une réduction de 10 % des coûts de maintenance peut produire le même avantage financier qu’une augmentation de 40 % des ventes.

L’importance de l’analyse des vibrations dans la maintenance prédictive

L’analyse des vibrations pour la maintenance prédictive surveille les vibrations des machines telles que les moteurs. En analysant ces vibrations, les ingénieurs peuvent mieux comprendre l’état de la machine et prédire quand elle pourrait tomber en panne. Cela leur permet d’effectuer les tâches de maintenance nécessaires pour prévenir les éventuelles pannes et prolonger la durée de vie de la machine.

Certaines industries dépendent tout particulièrement de machines et d’équipements rotatifs qui les entraînent, tels que les pompes et les compresseurs. L’industrie alimentaire et des boissons, par exemple, utilise de nombreux compresseurs, refroidisseurs et pompes pendant le traitement.

L’industrie de l’eau doit éviter les temps d’arrêt de ses pompes pour maintenir la qualité de l’eau et les pressions pour garantir l’alimentation en eau aux clients. Les installations pétrolières et gazières utilisent de nombreux moteurs dont la fiabilité doit être garantie pour permettre à l’entreprise de respecter ses engagements d’approvisionnement.

Dans la mesure où les composants rotatifs sont essentiels à de nombreux types d’équipements industriels et font souvent partie de processus avec des goulots d’étranglement qui ne peuvent être évités, les moteurs sont souvent la cause d’arrêts imprévus dus à des pannes s’ils ne sont pas entretenus correctement.

L’une des principales causes de ces défaillances est l’usure et le désalignement de composants tels que les chemins de roulement, les roues dentées et les arbres. Au fur et à mesure que ces composants bougent, un manque de lubrification peut les amener à s’entrechoquer plutôt qu’à glisser en douceur, provoquant des dommages entraînant des vibrations importantes ou inhabituelles. Par exemple, un chemin de roulement à rouleaux avec des tracés peut créer un mouvement chaque fois qu’un roulement se déplace sur la zone endommagée. Si elles ne sont pas contrôlées, ces vibrations peuvent entraîner d’autres dommages et finalement une panne.

Analyser et comprendre ces vibrations, et saisir ce qu’elles signifient pour les performances et l’état futur du moteur, est la base de la maintenance prédictive.

En plus des moteurs eux-mêmes, l’analyse des vibrations peut être utilisée pour surveiller d’autres parties d’un processus, d’une machine ou d’un système d’entraînement, y compris les roulements sur les convoyeurs, les boîtes de vitesses, les arbres d’entraînement et les roues libres. La surveillance des vibrations est également utilisée pour surveiller l’état et la sécurité structurelle des actifs d’infrastructure tels que les ponts, les tuyaux et les pales d’éolienne.

En plus de l’analyse des vibrations, il existe plusieurs autres options pour surveiller l’état des moteurs. L’une des méthodes les plus importantes est l’analyse de la signature du courant de moteur (ASCM). La technique détecte un signal électrique qui a des composantes de courant. Les signaux de courant sont traités afin d’obtenir un spectre de fréquence pour le moteur. En cas de défaut, ce spectre de fréquence sera différent de celui présenté par le moteur sain.

L’ASCM peut être utilisée pour diagnostiquer plusieurs types de défauts de moteur, notamment les défauts de roulement et les barres de rotor cassées ainsi que les lames d’air incohérentes entre le rotor et le stator.

Malgré l’utilité de l’ASCM, les systèmes d’analyse continue des vibrations utilisant des capteurs sont plus faciles à déployer et à utiliser. Ils peuvent facilement être utilisés par du personnel non formé, offrent à l’équipe de maintenance plus de temps pour la planification et peuvent être intégrés aux systèmes d’automatisation d’usine.

Les données issues de l’analyse des vibrations sont vitales pour la maintenance prédictive. Les données sur les vibrations peuvent être analysées à l’aide de diverses techniques pour obtenir différents aperçus de l’état du moteur. Par exemple, l’analyse de domaine temporel examine des indicateurs tels que la RMS d’accélération, le facteur de crête, la RMS de la vitesse et la RMS du déplacement. La RMS d’accélération est une mesure populaire et utile pour la surveillance de l’état des vibrations, tandis qu’un facteur de crête croissant peut indiquer une défaillance des roulements.

La RMS de la vitesse est la principale mesure de suivi dans le temps pour surveiller l’état des vibrations et fournir des informations aux programmes de maintenance prédictive. La RMS du déplacement est utile pour évaluer les équipements rotatifs, car des arbres déséquilibrés et d’autres composants peuvent provoquer des déplacements importants.

Pour analyser les nombreuses fréquences de vibration qu’un moteur ou une autre machine peut présenter, l’algorithme des transformations de Fourier rapides (FFT – Fast Fourier Transforms) est utilisé. La technique décompose le signal en toutes ses fréquences constitutives, le convertissant du domaine temporel au domaine fréquentiel. Cela donne aux enquêteurs une meilleure compréhension du profil de vibration et donc plus d’indices sur l’état du système testé. D’ailleurs, la plupart des analyses de vibration seront effectuées dans le domaine fréquentiel.

Utilisation de l’analyse des vibrations pour la maintenance prédictive

La capture des données sur les vibrations et l’utilisation de techniques mathématiques pour les analyser afin de mieux comprendre l’état du moteur ou d’autres composants du système ne sont que les premières étapes. Un programme de maintenance prédictive pleinement opérationnel et utile nécessite que ces activités soient intégrées dans un schéma de gestion qui puisse utiliser efficacement ces informations.

C’est le rôle d’un système informatisé de gestion de la maintenance (SIGM). Celui-ci prend la forme d’un progiciel qui maintient une base de données à jour pour effectuer les opérations de maintenance. En tant que tel, il aide une entreprise à organiser efficacement ses activités de maintenance pour atteindre les objectifs de productivité maximale de la machine, de durée de vie prolongée et de coûts minimaux. Pour ce faire, il aide les agents de maintenance à savoir quelles machines nécessitent des tâches de maintenance et où se trouvent les outils, les équipements de mesure et les pièces de rechange.

Il aide également les responsables de la maintenance à calculer les coûts de réparation d’une machine suite à une panne par opposition à la réalisation de tâches de maintenance préventive, permettant ainsi l’utilisation la plus efficace des ressources. Un SIGE enregistre également des données pour garder une trace des tâches assignées et terminées.

Un exemple de SIGE est le logiciel eMaint de Fluke Reliability. eMaint est une plateforme puissante de gestion de la fiabilité des actifs qui aide les organisations à augmenter la disponibilité grâce à l’intégration facile d’outils et de logiciels de maintenance.

Avec eMaint, les utilisateurs peuvent établir une hiérarchie des actifs, suivre l’historique de maintenance de leurs actifs et hiérarchiser les travaux. Sur cette base, la solution peut être utilisée pour attribuer des ordres de travail et générer des demandes de travail.

Intégré avec des outils de surveillance de l’état tels que des capteurs de vibrations, eMaint peut être utilisé pour définir les limites de fonctionnement des équipements, importer des lectures d’instruments et de capteurs, et afficher des graphiques des résultats. Les tableaux de bord et les rapports permettent aux ingénieurs de maintenance d’analyser les tendances et de prendre des décisions basées sur les données. La maintenance prédictive est également rendue possible grâce à la capacité de la solution à visualiser facilement les données des actifs de différentes manières, p. ex. via des schémas ou un plan du site.

La gestion et le suivi des pièces de rechange, l’attribution de tâches de maintenance prédictive, le suivi des inspections et l’autorisation d’accès sur les appareils mobiles sont toutes des fonctionnalités offertes par eMaint.

Les capteurs de vibrations, comme la vaste gamme disponible auprès de Farnell plus un package SIGE par eMaint, forment une solution complète de maintenance prédictive, aidant les entreprises à protéger leurs actifs tout en garantissant une productivité et une efficacité maximales.