Vibration - Définition
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Introduction
Une vibration est un mouvement d'oscillation autour d'une position d'équilibre stable ou d'une trajectoire moyenne.
La vibration d'un système peut être de 2 types:
- Vibration libre
- Vibration forcée
Mouvements vibratoires
Degrés de liberté (ddl)
- un degré de liberté
- deux ou plusieurs degrés de liberté
- nombre infini de degrés de liberté
Une masse libre dans l'espace à 6ddl:
- 3 trions (Tx, Ty, Tz)
- 3 rotations (Rx, Ry, Rz)
Causes
- vibrations naturelles (ou libres)
- vibrations entretenues
- vibrations paramétriques
- vibrations auto-excitées
Forme
- vibrations linéaires
- vibrations non linéaires
- vibrations sinusoïdales
- vibrations aléatoires
Objet
- machine (immobile)
- véhicule (en déplacement, guidonnage)
- bâtiment
- moteur
Nature
- translation
- rotation (vibration de torsion)
Vibrations indésirables
Certains objets tournant (moteurs, roue, pales de turbine...) peuvent - en fonctionnement normal, ou détérioré - générer des vibrations désagréables pour l'oreille ou l'organisme, ou dangereuses pour la machine elle-même.
Divers moyens de mesurer ces vibrations existent.
L'idéal (quand elles ne sont pas dues à l'usure d'un moyeu ou d'une pièce) serait de pouvoir les prévenir ou corriger « en direct ».
Dans les machines puissantes (turbines ou hélices d'avions, turbine à gaz...), les pales sont soumises à des contraintes très importantes, du fait de leur grande vitesse et des turbulences engendrées par la pression de l'air, le cisaillement, etc.
Des chercheurs et étudiants ont eu l'idée d'appliquer une fine lamelle d'un matériau piézoélectrique (piézocéramique) sur des pales soumises à des rotations rapides. Ce matériau se dilate ou se contracte "à la demande" si on le soumet à un champ électrique (C'est l'effet piézoélectrique inverse). Il permet de contrôler les modes vibratoires des pales via le contrôle du champ électrique appliqué au matériau (on peut aligner la fréquence du matériau piézoélectrique sur celle de la pale, et compenser des amplitudes vibratoires non désirées. La lamelle pourrait aussi être intégrée à l'intérieur des pales pour éviter son usure. Cette solution n'est qu'au stade laboratoire, mais pourrait peut-être améliorer le fonctionnement, l'usure et la consommation ou production des turbines utilisées en aéronautique, éolien, usines...
Moyens d'investigations
Dans l'industrie, on s'intéresse à l'analyse vibratoire pour deux raisons:
- une excitation vibratoire trop importante peut entraîner des dommages, tels que la rupture par fatigue vibratoire, ou générer des nuisances sonores
- l'analyse des vibrations d'une machine peut permettre de diagnostiquer des problèmes d'équilibrage ou d'alignement d'arbre, ainsi que des défauts de roulements ou d'orbites.
Excitation d'une structure mécanique
Une excitation vibratoire trop importante peut être entraînée par une excitation des modes propres (fréquences de résonances) de la structure. Une ou plusieurs sources génère des vibrations sur un mode propre de vibration de la structure, l'amplitude de la vibration de la structure est alors très supérieure à l'amplitude de l'excitation et peut donc en provoquer la ruine par fatigue. L'expertise consiste ici à identifier les modes de vibrations de la structure
Il existe deux méthodes pour déterminer les fréquences propres d'un système:
- utilisation d'un pot vibrant pour une caractérisation vibratoire de la pièce (détermination des fréquences de résonance), des essais de fatigue vibratoire, …
La caractérisation au pot vibrant étant surtout utilisé pour le dimensionnement ou la qualification du matériel en laboratoire avant utilisation.
- utilisation d'un marteau de choc pour une analyse modale de structure, la pièce étant excitée successivement en plusieurs points et la réaction vibratoire mesurée à l'aide d'un capteur d'accélération (accéléromètre, vibromètre laser).
L'analyse au marteau de choc étant utilisé pour une caractérisation in situ de la structure.
L'analyse modale expérimentale (AME) permet de déterminer les déformations de la structure en fonction de la fréquence.
La mesure de la déformée opérationnelle en fonctionnement (DOF ou ODS : Operational Deflection Shape) permet de déterminer la déformée réelle de la structure en fonctionnement.
Des calculs par modélisation de la structure par éléments finis permet d'évaluer les modes propres de la structure.
Le choc au marteau permet d'exciter la structure sur toutes les fréquences (jusqu'à environ 10 kHz) avec la même énergie. Des embouts différents sont disponibles selon les fréquences à exciter (embout mou: basses fréquences, embout dur: moyennes fréquences)
Une fois les modes propres de la structure identifiés il s'agit soit:
- de décaler la fréquence d'excitation, en modifiant la source de vibration
- de décaler les modes propres de la structure par ajout de masse ou de raideur (la fréquence de résonance d'un système simple étant donnée par la formule
La modélisation permet alors de dimensionner précisément l'ajout de masse ou de raideur sur la structure.
- d'utiliser un absorbeur de vibration dynamique ou DLC (dispositif limitateur de contraintes)
- d'isoler la structure de la source de vibration à l'aide d'un élastomère anti-vibratile correctement dimensionné.
Des calculs par éléments finis peuvent permettre de calculer la vibration maximum admissible sur la structure afin d'éviter un risque de ruine par fatigue vibratoire
Analyse vibratoire des machines tournantes
L'analyse vibratoire des machines tournantes est aujourd'hui très utilisée par les industriels pour diagnostiquer des défauts sur leurs machines avant que celle-ci ne subisse un fortuit, c'est la maintenance conditionnelle. L'identification du problème permet de mettre en place des actions curatives comme un réglage ou le remplacement d'une pièce défectueuse avant la ruine de la machine.
La mesure des vibrations est effectuée à l'aide d'accéléromètres instrumentés sur les paliers de la machines (structure de la machine, et non sur la structure ou le capot de protection). On utilise également des sondes de proximité (capteurs de déplacements inductifs ou lasers) sur les machines à paliers lisses. Généralement la mesure est prise dans les 3 axes.
Il peut être utile de mesurer le niveau global vitesse entre 10 et 1000 Hz afin de pouvoir le comparer aux normes ISO 10816 qui donnent des critères sur l'état vibratoire de la machine pour différents types et puissances de machines. L'augmentation du niveau global vitesse en fonction du temps peut signifier une détérioration de la machine. Ceci est un indicateur qui donne une approximation de l'état vibratoire de la machine mais qui peut ne pas être suffisant dans le cas de vibrations hautes fréquences.
La mesure du spectre de vibration permet d'identifier les fréquences de vibrations de la structure et de diagnostiquer certains type de défauts tels que:
- Un problème d'équilibrage se manifestant par un niveau de vibration élevé à la fréquence de rotation de la machine. Un équilibrage permet alors de résoudre ce problème en ajoutant de la masse sur l'arbre ou la roue pour compenser le balourd. L'équilibrage peut se faire sur plusieurs plans.
- Un défaut d'alignement se manifestant par un niveau de vibration élevé sur les harmoniques (multiples) de la fréquences de rotation de la machine
- Un défaut de roulement se caractérisant par une augmentation du niveau vibratoire en haute fréquence et l'apparition de chocs aux fréquences caractéristiques du roulement
- Un défaut sur un engrenage (dents abîmées par exemple) se manifestant par un niveau élevé aux fréquences caractéristiques de l'engrenage telle que la fréquence d'engrènement.
- De la cavitation sur les pompes se manifestant par une augmentation du fond du spectre et un bruit sourd.
L'utilisation d'un top-tour permet de mesurer la vitesse de rotation.
La maintenance conditionnelle permet également de s'affranchir du système coûteux de la maintenance systématique qui consiste à changer une pièce périodiquement qu'elle soit usée ou non.
