Élimination des vibrations excessives des équipements rotatifs : Guide de diagnostic UNITEC-D

1. Problème et champ d'application

Les vibrations excessives des équipements rotatifs sont un indicateur critique de dysfonctionnements potentiels pouvant entraîner des arrêts de production imprévus, des pertes financières importantes, une dégradation de la qualité des produits et, surtout, des menaces pour la sécurité du personnel. Ce manuel UNITEC-D est conçu pour diagnostiquer et éliminer systématiquement les principales causes d'augmentation des vibrations couvrant une large gamme d'équipements rotatifs industriels, notamment les pompes, les ventilateurs, les moteurs électriques, les compresseurs, les boîtes de vitesses et les turbines utilisés dans l'industrie ukrainienne.

Classification de la sévérité des vibrations selon DSTU ISO 10816-1:2004 :

• Critique : Un niveau de vibration dépassant les limites supérieures des valeurs admissibles (zone D) nécessite un arrêt immédiat de l'équipement et un dépannage.
• Important : Le niveau de vibration en zone C nécessite un arrêt planifié de l'équipement pour diagnostic et réparation. Un fonctionnement prolongé dans cette zone réduit la durée de vie des composants.
• Mineur : Le niveau de vibration en zone B indique la présence d'un dysfonctionnement susceptible d'évoluer. Une surveillance renforcée est recommandée.

L'identification rapide et précise de la cause première des vibrations est la clé d'un fonctionnement fiable et sûr de l'équipement.

2. Précautions

Avant de commencer tout travail de diagnostic ou de réparation sur des équipements tournants, des règles de sécurité strictes doivent être respectées. Ignorer ces précautions pourrait entraîner des blessures graves, voire la mort.

LA SÉCURITÉ DU PERSONNEL EST NOTRE PRIORITÉ

• Verrouillage/étiquetage (LOTO) : TOUJOURS isoler et verrouiller toutes les sources d'alimentation (électrique, hydraulique, pneumatique) de l'équipement. Utiliser les procédures LOTO standards conformément au règlement intérieur de l’entreprise. Vérifiez la tension et la pression résiduelle.
• Énergie stockée : soyez conscient de l'énergie potentiellement stockée dans les ressorts, les accumulateurs hydrauliques, les volants d'inertie et les gaz sous pression. Assurez-vous que toutes ces sources d’énergie sont déchargées ou verrouillées en toute sécurité.
• Équipement de protection individuelle (EPI) : Utiliser des EPI appropriés : lunettes de sécurité (DSTU EN 166), gants (DSTU EN 388), chaussures de protection (DSTU EN ISO 20345), protection auditive (DSTU EN 352).
• Surfaces chaudes et haute pression : Manipulez avec précaution les équipements qui fonctionnent à des températures ou des pressions élevées. Utilisez des caméras thermiques et des manomètres pour évaluer les conditions.
• Pièces rotatives : NE JAMAIS travailler à proximité de pièces rotatives sans capots de protection.
• Consulter : En cas de doute sur la sécurité, consultez un ingénieur principal ou un spécialiste de la santé et de la sécurité au travail.

3. Outils de diagnostic nécessaires

Un diagnostic vibratoire efficace nécessite un certain ensemble d’outils. Leur application correcte permet d'obtenir des données précises pour l'analyse.

4. Liste de contrôle pour l'évaluation initiale

Avant de démarrer un diagnostic détaillé, il est nécessaire de collecter un maximum d'informations sur les conditions de fonctionnement et l'historique de l'équipement. Cela réduira l’éventail des causes potentielles.

5. Flux systématique de diagnostics

Le diagnostic des vibrations nécessite une approche systématique, commençant par la mesure du niveau général et passant à une analyse spectrale détaillée pour identifier les fréquences dominantes.

1. Mesurez le niveau global de vibration :
   • Utilisez un analyseur de vibrations pour mesurer la vitesse de vibration (mm/s RMS) sur les boîtiers de roulements dans trois directions (horizontale, verticale, axiale).
   • Comparez les valeurs obtenues avec les seuils admissibles selon DSTU ISO 10816-1 pour la classe de machine correspondante.
   • Si le niveau de vibration total dépasse la zone B (défaut mineur) ou C (défaut important) : Passez à l'étape 2.
   • Sinon : Le problème n'est probablement pas lié aux vibrations mécaniques, ou son niveau est négligeable. Surveillance améliorée.
2. Effectuer une analyse spectrale (FFT) et une analyse du signal temporel :
   • Collecter les spectres de vibration (tracé de l'amplitude des vibrations en fonction de la fréquence) et le signal temporel (le tracé de l'amplitude en fonction du temps) sur chaque ensemble de roulements dans les trois directions.
   • Déterminez la vitesse de rotation de l’équipement (1X RPM) à l’aide d’un tachymètre.
   • Analyser les spectres pour détecter la présence de fréquences dominantes et de leurs harmoniques :
   • 1. IF est dominé par 1X RPM (vitesse de rotation du rotor) avec une amplitude élevée :
        • ALORS Vérifiez le déséquilibre :
          • IF, l'amplitude de 1X RPM est élevée dans les directions radiales (horizontale/verticale) et varie proportionnellement avec la vitesse.
          • ALORS Cause probable : Balourd. Passer au diagnostic de balourd (paragraphe 7.1).
        • ALORS Vérifiez s'il y a un désalignement :
          • SI l'amplitude de 1X RPM est élevée dans la direction axiale, ou si 1X RPM et 2X RPM sont élevées dans les directions radiales.
          • ALORS Cause probable : Inadéquation. Aller au diagnostic d'inadéquation (paragraphe 7.2).
     2. SI dominé par 2X RPM (deux fois la vitesse du rotor) avec une amplitude élevée :
        • ALORS Vérifiez le désalignement (angulaire/parallèle) :
          • SI l'amplitude de 2X RPM est bien supérieure à 1X RPM dans les directions radiales, ou si 2X RPM est élevé dans la direction axiale.
          • ALORS Cause probable : Inadéquation. Aller au diagnostic d'inadéquation (paragraphe 7.2).
     3. SI des harmoniques élevées (3X, 4X RPM et plus) ou des sous-harmoniques (0,5X RPM) sont présentes :
        • ALORS Vérifiez le jeu :
          • SI les amplitudes harmoniques sont non linéaires ou si des sous-harmoniques apparaissent, ainsi que du bruit dans le signal de synchronisation.
          • ALORS Cause probable : Descellement mécanique. Passer au diagnostic de descellement (paragraphe 7.5).
     4. SI des fréquences caractéristiques des roulements (BPFI, BPFO, FTF, BSF) ou des hautes fréquences modulées en amplitude sont présentes :
        • ALORS Vérifiez les défauts des roulements :
          • Utilisez une analyse d'impulsions de choc (SPM, PeakVue) ou un détecteur à ultrasons pour confirmer.
          • ALORS Cause probable : Défauts des roulements. Aller au diagnostic des défauts des roulements (clause 7.3).
     5. SI une vibration de forte amplitude à une fréquence qui n'est pas une harmonique de la vitesse de rotation, mais qui est proche de celle-ci ou constante :
        • ALORS Vérifiez la résonance :
          • Effectuez un test d'accélération/de décélération ou de choc pour déterminer les fréquences naturelles.
          • ALORS Cause probable : Résonance. Aller au diagnostic de résonance (paragraphe 7.4).

6. Matrice « Échec-Cause »

Cette matrice fournit un aperçu rapide des symptômes de vibrations courants, de leurs causes probables et des tests de diagnostic.

7. Analyse des causes profondes de chaque dysfonctionnement

7.1. Déséquilibre du rotor

Pourquoi cela se produit : Le déséquilibre est une répartition inégale de la masse du rotor par rapport à son axe de rotation. Cela peut être causé par des défauts de fabrication, une accumulation inégale de contaminants (par exemple poussière sur le ventilateur, tartre sur le rotor de la pompe), une érosion ou une corrosion des matériaux et une réparation ou un remplacement imprécis des composants sans équilibrage supplémentaire. Par exemple, réparer une pale de ventilateur sans rétablir l’équilibre initial.

Comment confirmer : L'indicateur principal est une vibration dominante à 1X RPM dans la direction radiale, qui augmente proportionnellement avec la vitesse de rotation. L'analyse de phase montre une phase de vibration stable. Effectuer un essai avec l'ajout d'une masse d'essai et analyser le changement de vibration vous permet de déterminer quantitativement l'ampleur et l'angle du balourd.

Dommages s'ils ne sont pas corrigés : Un déséquilibre prolongé entraîne une contrainte accrue sur les roulements et les joints, ce qui réduit leur durée de vie, provoque une défaillance des fixations, une fatigue structurelle du cadre et de la base, et peut entraîner une défaillance de l'arbre et d'autres défaillances catastrophiques. Des vibrations de 15 à 20 mm/s RMS pour les machines standard de taille moyenne sont déjà critiques.

7.2. Désalignement des arbres (accouplement)

Pourquoi cela se produit : Le mauvais alignement est un écart des centres des arbres ou des angles de leurs axes par rapport à l'alignement idéal. Il peut être parallèle (déplacement des centres), angulaire (déplacement des coins) ou combiné. Les causes typiques sont : une mauvaise installation, une déformation du cadre ou de la fondation sous charge, une dilatation thermique des composants pendant le fonctionnement, une « semelle souple » (contact irrégulier entre le support et la fondation) et un tassement de la fondation.

Comment confirmer : Les principaux indicateurs sont des amplitudes de vibrations élevées à 1X RPM et 2X RPM. Le désalignement parallèle est souvent dominé par 1X RPM dans la direction radiale, tandis que le désalignement angulaire est souvent dominé par 2X RPM dans la direction radiale et/ou 1X RPM dans la direction axiale. La mesure avec un système de nivellement laser (plus précis que les indicateurs de type montre) permet de quantifier l'écart et le type de désalignement. Un écart de plus de 0,05 mm est inacceptable pour la plupart des machines industrielles.

Dommages s'ils ne sont pas corrigés : Un mauvais alignement provoque des contraintes cycliques sur les roulements, les accouplements et les joints, entraînant une usure accélérée, une surchauffe et une défaillance prématurée. Cela augmente également la consommation d’énergie du moteur et peut endommager les arbres.

7.3. Défauts des roulements

Pourquoi cela se produit : Les défauts des roulements sont l'une des causes les plus courantes de vibrations. Ils peuvent être causés par une fatigue du matériau (écaillage), une installation incorrecte (charges de choc, désalignement), une lubrification insuffisante ou excessive, une contamination du lubrifiant par des particules étrangères, une érosion électrique (courant traversant le roulement), une charge excessive ou une surchauffe.

Comment confirmer : Un trait caractéristique est l'apparition dans le spectre vibratoire de fréquences spécifiques de défauts de roulement : BPFI (défaut du chemin de roulement de la bague intérieure), BPFO (défaut du chemin de roulement de la bague extérieure), FTF (défaut du séparateur), BSF (défaut du corps roulant). Ces fréquences sont calculées en fonction de la géométrie du roulement et de la vitesse de rotation. Pour une détection précoce, les méthodes d'analyse d'impulsions de choc (SPM, PeakVue) ou de surveillance par ultrasons sont efficaces, qui détectent les impulsions haute fréquence générées lorsque les éléments roulants entrent en contact avec des défauts. Un niveau SPM supérieur à 15-20 dB par rapport à la ligne de base est alarmant.

Dommages s'ils ne sont pas corrigés : La progression des défauts des roulements entraîne une augmentation des vibrations, une surchauffe, une défaillance du séparateur, un grippage des roulements et, par conséquent, une défaillance de l'arbre ou du rotor.

7.4. Résonance

Pourquoi cela se produit : La résonance se produit lorsque la fréquence d'excitation (par exemple, vitesse de fonctionnement, fréquence des pales/dents, fréquence électrique) correspond à l'une des fréquences naturelles (naturelles) du système ou de son composant (cadre, arbre, fondation). Cela conduit à une augmentation significative de l’amplitude des vibrations même avec une force d’excitation relativement faible. Raisons : modification de la rigidité ou de la masse de la structure, mauvais choix de vitesse de fonctionnement, modification des caractéristiques dynamiques de la fondation.

Comment confirmer : Vibration de haute amplitude à une fréquence spécifique qui peut être inharmonique jusqu'à 1 X RPM. Pour confirmation, un test de démarrage/décélération est utilisé, au cours duquel l'équipement est accéléré ou arrêté en douceur, et les vibrations sont enregistrées. Un pic de vibration important à une certaine vitesse de rotation indique le passage de la fréquence de résonance. Un test d'impact (Impact Test) est également utilisé pour déterminer les fréquences propres de la structure.

Dommages s'ils ne sont pas corrigés : La résonance entraîne une fatigue structurelle rapide, une rupture des soudures, des fixations, un desserrage des boulons, des fissures dans le cadre et les fondations, ce qui peut provoquer une défaillance catastrophique de l'équipement.

7.5. Relâchement mécanique

Pourquoi cela se produit : Le desserrage mécanique est une perte de rigidité ou de fiabilité d'une fixation de composant, lui permettant de « cogner » ou de vibrer de manière non linéaire. Cela peut être dû à des boulons de montage desserrés (fondation, ensembles de roulements, boîtiers), à des fissures dans le cadre ou la fondation, à des portées de roulement usées ou à des jeux excessifs dans les paliers lisses. C'est souvent la conséquence d'autres dysfonctionnements (déséquilibre, manque de conscience) qui ont progressé.

Comment confirmer : Les symptômes de secousses dans le spectre de vibration incluent souvent la présence de sous-harmoniques (0,5 X RPM), d'harmoniques élevées (2X, 3X RPM et plus) et des changements d'amplitude de vibration en fonction de la charge. L'analyse du signal horaire montre des salves d'impulsions ou des coupures dans le signal. Une inspection visuelle des fixations, de leur serrage et l'utilisation d'un test d'impact avec un marteau peuvent aider à localiser la source du desserrage. Une caméra thermique peut détecter une surchauffe dans les zones de friction accrue.

Dommages s'ils ne sont pas corrigés : Le desserrage entraîne une usure progressive, une déformation des composants, une défaillance des fixations, un désalignement des arbres et, par conséquent, une défaillance des joints, des roulements, des arbres et d'autres composants critiques.

8. Procédures de dépannage étape par étape

8.1. Élimination du déséquilibre

1. Préparation : Isoler l'équipement (LOTO). Inspectez visuellement le rotor pour détecter la saleté, les dommages et les pièces manquantes. Nettoyez le rotor.
2. Mesure : Mesurez la vibration initiale à 1 X RPM.
3. Équilibre : Appliquer la méthode d'équilibrage dynamique sur site (selon DSTU ISO 1940-1). Pour la plupart des machines industrielles, la classe de qualité G6.3 est acceptable, pour les machines de haute précision - G2.5 ou G1.0.
4. Test : Ajoutez la masse de test, mesurez le changement de vibration.
5. Correction : Calculez la masse de correction nécessaire et sa position. Installez la masse sur le rotor.
6. Vérification : Mesurez à nouveau la vibration. Le niveau de vitesse de vibration doit être inférieur à 4,5 mm/s RMS pour une machine de taille moyenne (Classe II).

8.2. Élimination de l’inconscience

1. Préparation : Isoler l'équipement (LOTO). Nettoyer les surfaces d'appui, vérifier l'usure des accouplements.
2. Vérification des pattes souples : Vérifiez toutes les pattes du moteur/pompe à l'aide d'un indicateur à cadran ou d'un système laser. Si l'écart lors du serrage du boulon dépasse 0,05 mm, régler la « patte souple » à l'aide d'entretoises calibrées.
3. Alignement : Utilisez un système d'alignement d'arbre laser pour ajuster avec précision la position du moteur par rapport à la pompe/boîte de vitesses. Respectez les tolérances spécifiées par le fabricant de l'accouplement ou recommandées par les normes (par exemple, 0,02-0,05 mm pour la plupart des accouplements à 1 500 tr/min).
4. Vérification : Après l'alignement, serrez tous les boulons au couple spécifié dans la documentation et mesurez à nouveau les vibrations. Les amplitudes à 1X et 2X RPM dans les directions radiale et axiale doivent être considérablement réduites.

8.3. Élimination des défauts des roulements

1. Préparation : Isoler l'équipement (LOTO). Veiller à la propreté de la zone de travail.
2. Dépose : retirez soigneusement l'ensemble de roulement à l'aide d'un outil spécial (extracteurs) pour éviter d'endommager l'arbre et le boîtier.
3. Inspection : Inspectez soigneusement l'arbre, le boîtier de roulement et les sièges pour détecter l'usure, la corrosion et les bavures.
4. Installation d'un nouveau roulement :
   • Utilisez uniquement des roulements UNITEC-D originaux ou certifiés.
   • L'installation s'effectue par chauffage (chauffage par induction) ou à l'aide d'une presse, à l'aide d'outils de pose spéciaux. NE JAMAIS frapper la bague extérieure ou intérieure d'un roulement sans un mandrin approprié.
   • Veiller à un jeu radial et axial correct conformément aux recommandations du fabricant du roulement.
5. Lubrification : Remplir le roulement avec le lubrifiant approprié selon les préconisations du fabricant (type, quantité). Utilisez les seringues et distributeurs recommandés.
6. Vérification : Après remplacement et lubrification, démarrer l'équipement, surveiller les vibrations et la température. Le niveau de vitesse de vibration et d'impulsions de choc doit correspondre aux valeurs normatives, la température doit se stabiliser dans la plage normale (généralement < 70°C).

8.4. Élimination de la résonance

1. Préparation : Isoler l'équipement (LOTO).
2. Détermination de la fréquence propre : Effectuer un test d'impact (Impact Test) en différents points de la structure pour déterminer les fréquences propres.
3. Modification de la conception :
   • Changement de rigidité : Ajouter ou renforcer des éléments de support, augmenter l'épaisseur des plaques, installer des renforts supplémentaires. L'objectif est d'éloigner la fréquence propre de la fréquence d'excitation de fonctionnement (minimum de 20 %).
   • Changement de masse : ajoutez ou réduisez la masse du composant résonant. Cela modifiera également la fréquence naturelle.
   • Modification de la vitesse de fonctionnement : Si cela est possible et économiquement justifié, modifier la vitesse de fonctionnement de l'équipement pour éviter tout chevauchement avec la fréquence propre.
4. Vérification : Après avoir effectué les modifications, répétez le test de choc et le test d'accélération/de roue libre pour confirmer le changement des fréquences naturelles. Démarrez l'équipement et vérifiez le niveau de vibration.

8.5. Élimination des secousses mécaniques

1. Préparation : Isoler l'équipement (LOTO).
2. Localisation : à l'aide d'un analyseur de vibrations, d'un test d'impact et d'une inspection visuelle, identifiez la source de la secousse.
3. Serrage des fixations : Serrez tous les boulons et écrous desserrés au couple spécifié dans la documentation technique (par exemple, 120 Nm pour les boulons M16 de classe de résistance 8.8).
4. Réparation des dommages :
   • Si des fissures sont constatées dans la charpente/fondation : souder, renforcer la structure selon les calculs et les normes d'ingénierie.
   • Si les sièges de roulement sont usés : restaurer les sièges (pulvérisation, bagues) ou remplacer le boîtier/arbre.
   • Si les jeux dans les paliers lisses sont excessifs : régler les jeux ou remplacer les bagues.
5. Vérification : Faites fonctionner l'équipement et répétez les mesures de vibrations en accordant une attention particulière aux harmoniques et au signal horaire. La vibration doit correspondre à la norme.

9. Mesures préventives

La maintenance préventive est la clé d’un fonctionnement long et fiable des équipements tournants.

10. Pièces de rechange et composants

UNITEC-D GmbH est un fournisseur fiable de pièces de rechange de haute qualité pour équipements rotatifs. L’utilisation de composants certifiés est essentielle pour garantir la fiabilité et la durabilité de la réparation. Vous trouverez ci-dessous des groupes typiques de pièces de rechange.

Pour commander et recevoir des informations détaillées sur la gamme de pièces détachées UNITEC-D, visitez notre Catalogue électronique UNITEC-D.

11. Liens

• DSTU ISO 10816-1:2004 Vibrations mécaniques. Évaluation des vibrations des machines à partir des résultats de mesures sur des pièces non rotatives.
• DSTU ISO 1940-1:2007 Vibrations. Exigences relatives à la qualité de l'équilibrage des rotors solides.
• DSTU ISO 15243:2009 Roulements. Dommages et renonciations. Terminologie, classification et illustrations.
• EN 15417-1:2008 Alignement des machines. Partie 1 : Méthodes et tolérances.
• Manuels d'utilisation et d'entretien des fabricants d'équipements (OEM).
• Normes internes UNITEC-D pour le diagnostic et la réparation des équipements.