Qu’est-ce que l’analyse des vibrations et comment peut-elle contribuer à optimiser la maintenance prédictive ?

L’analyse (ou surveillance) des vibrations est un outil de diagnostic puissant permettant d’identifier, de surveiller et de prévenir les défaillances mécaniques dans les machines tournantes et alternatives. Il s’agit d’un composant essentiel des programmes de maintenance prédictive, permettant aux techniciens de détecter les problèmes d’équipement avant qu’ils n’entraînent des temps d’arrêt coûteux ou des défaillances catastrophiques.

L’analyse des vibrations, un composant du contrôle de conformité, utilise des capteurs de vibrations pour mesurer les fréquences d’un actif et détecter des anomalies susceptibles d’indiquer un problème. L’analyse des vibrations est fondamentalement l’étude des mouvements oscillants des machines et de leurs composants autour d’un point d’équilibre établi. Ces oscillations peuvent être dues à un certain nombre de problèmes, notamment des déséquilibres, des défauts d’alignement, de serrage, des déformations d’axes, de défauts de roulements, etc.

En mesurant et en analysant les vibrations des machines, les techniciens peuvent mieux évaluer l’état et les performances de l’équipement, ce qui leur permet d’identifier les problèmes et de mettre en œuvre des mesures correctives. Et comme les composants tournants et alternatifs (comme les moteurs, les compressions, les pompes, etc.) ont tendance à vibrer plus intensément et plus fortement avec le temps, l’analyse des variations de vibrations peut aider les responsables de maintenance à surveiller l’état des machines en temps réel et à identifier de manière proactive l’usure des actifs et les dommages.

Les vibrations sont pluridimensionnelles, de sorte que les tests de vibrations nécessitent de prendre en compte différents paramètres. Les paramètres principaux sont l’amplitude, la fréquence et la phase :

• L’amplitude fait référence à la magnitude de la vibration, généralement mesurée en unités telles que le déplacement (millimètres ou micromètres), la vitesse (pouces par seconde ou millimètres par seconde) ou l’accélération (g).
• La fréquence mesure le nombre d’ oscillations par unité de temps, généralement exprimée en hertz (Hz).
• La phase fait référence au moment relatif de la forme d’onde de vibration, généralement mesurée en degrés.

Les analyseurs de vibrations peuvent utiliser ces facteurs, ainsi que d’autres tels que la forme d’onde et le contenu harmonique, pour identifier les défauts spécifiques de la machine et leur gravité. 

Il existe également deux principaux types de vibrations :

• On parle de vibrations forcées lorsqu’une force externe est appliquée à un système, ce qui provoque la vibration. Parmi les exemples, citons les vibrations produites par un moteur ou une pompe en fonctionnement.
• La vibration naturelle, également appelées résilience, se produit lorsqu’un système vibre à sa fréquence naturelle. Ce type de vibration peut être problématique si la fréquence naturelle de la machine coïncide avec la fréquence de fonctionnement, car il peut entraîner des vibrations excessives.

Dans le paysage industriel concurrentiel d’aujourd’hui, assurer le bon fonctionnement et la longévité de vos machines est primordial. Suivre un processus d’analyse des vibrations étape par étape peut vous aider à tirer parti des vibrations des machines pour mieux comprendre la santé de l’équipement et du système.

Étape 1. Recueillir les données préliminaires

Pour effectuer une analyse des vibrations, commencez par recueillir des données sur l’équipement et/ou la structure que vous souhaitez analyser. Veillez à identifier l’emplacement et le type de capteurs dont vous aurez besoin pour les mesures de vibrations, y compris les plages d’amplitude et de fréquence, car les capteurs vous serviront de collecteurs de données tout au long du processus. Il est également important de recueillir des informations sur les conditions de fonctionnement de l’équipement, telles que la vitesse, la charge et la température.

Étape 2. Mesurer les vibrations

L’étape suivante du processus consiste à mesurer les vibrations provenant de la machine choisie. L’analyse des vibrations consiste généralement à mesurer l’amplitude des vibrations d’un actif ou d’un système.

Dans ce cas, vous utiliserez un accéléromètre rattaché aux sites de vibrations les plus importants pour effectuer des mesures. Les accéléromètres (par exemple, les accéléromètres piézoélectriques, les sondes de proximité, les vibromètres laser Doppler, etc.) utilisent des réponses à haute fréquence pour mesurer l’accélération d’un objet soumis à des vibrations dans trois directions : de haut en bas, d’un côté à l’autre et d’avant en arrière.

Vous pouvez également mesurer les vibrations à l’aide de capteurs de vitesse et de capteurs de déplacement. Les capteurs de vitesse mesurent la vitesse d’un objet vibrant, offrant une réponse à moyenne fréquence idéale pour surveiller l’état général d’une machine. Les capteurs de déplacement, en revanche, mesurent le déplacement d’un objet soumis à des vibrations et fournissent une réponse à basse fréquence adaptée à la détection de problèmes structurels et de déséquilibres.

Étape 3. Analyser les données

Une fois que vous avez recueilli toutes les données pertinentes, il est temps de les analyser. L’étape d’analyse vous obligera à utiliser des algorithmes informatiques et des logiciels pour identifier les modèles de vibrations et les tendances des données, et vous devrez comparer les données aux normes et directives établies.

Les équipes de maintenance peuvent utiliser diverses techniques pour analyser les données de vibration, et notamment : 

• Analyse du domaine temporel : pour effectuer une analyse du domaine temporel, vous devez analyser le signal de vibration brut au fil du temps. Les techniciens peuvent extraire et évaluer les données (par exemple, l’amplitude du pic, le facteur de crête, l’asymétrie, la moyenne quadratique, etc.) du signal directement à partir de la forme d’onde temporelle. Cette technique est utile pour détecter des phénomènes transitoires tels que les impacts ou les chocs. 
• Analyse du domaine fréquentiel : en utilisant une opération d’analyse mathématique des fréquences appelée Fast Fourier Transform (FFT), l’analyse du domaine fréquentiel consiste à convertir le signal du domaine temporel en un signal du domaine fréquent. Le spectre de fréquences obtenu facilite l’identification des fréquences spécifiques associées aux défauts mécaniques.
• Analyse d’enveloppe : également connue sous le nom de démodulation, l’analyse d’enveloppe est principalement utilisée pour détecter les défauts de roulement à un stade précoce. Elle consiste à extraire les signaux d’impact à haute fréquence générés par les roulements endommagés du signal de vibration global, ce qui permet aux techniciens d’identifier la présence et la gravité des défauts des roulements.
• Analyse modale : l’analyse modale est une technique plus avancée qui se concentre sur l’identification des fréquences naturelles, des formes de modes et des caractéristiques d’amortissement d’une machine. L’étude de ces propriétés permet aux analystes d’évaluer le comportement dynamique d’une machine et d’identifier les problèmes structurels potentiels et/ou les conditions de résonance.

Étape 4. Interpréter les résultats

Une analyse réussie exigera que les analystes de vibrations comprennent les fréquences spécifiques associées à divers problèmes mécaniques. Voici quelques fréquences de défauts courantes :

• Fréquence fondamentale : la fréquence à laquelle un composant en rotation effectue une rotation complète. Les écarts par rapport à la fréquence fondamentale de référence peuvent vous aider à identifier des défauts spécifiques, tels qu’un déséquilibre, un défaut d’alignement et un desserrage.
• Harmoniques : les multiples entiers de la fréquence fondamentale souvent associés aux problèmes de maillage en engrenage ou à d’autres événements cycliques.
• Bandes latérales : résultat de la modulation de fréquence fondamentale par une autre fréquence, comme dans l’interaction entre un défaut de roulement et la fréquence d’un composant tournant. Les bandes latérales apparaissent souvent comme des pics symétriques autour de la fréquence fondamentale ou de ses harmoniques et peuvent être le signe de problèmes de roulement et/ou de rupture des composants d’engrenage.

Étape 5. Prendre des mesures correctives

Une fois que vous avez identifié des problèmes potentiels lors de la phase d’interprétation, définissez des seuils d’alarme qui déclenchent une réponse lorsque les vibrations les dépassent. Ces seuils peuvent être basés sur des normes du secteur, des données historiques ou les recommandations des fabricants. Les types de seuils d’alarme les plus couramment utilisés sont les seuils absolus, les seuils de tendances et les seuils statistiques.

• Les seuils absolus sont des valeurs fixes basées sur des niveaux de vibrations acceptables pour des types d’équipements spécifiques. 
• Les seuils de tendance sont des valeurs dynamiques qui changent au fil du temps en fonction des performances historiques de l’équipement. Lorsque les niveaux de vibrations augmentent soudainement, cela peut indiquer un problème à venir.
• Les seuils statistiques sont issus d’analyses statistiques de données historiques qui tiennent compte de la moyenne et de l’écart-type des niveaux de vibrations.

Lorsqu’un système ou un actif dépasse le seuil d’alarme, le responsable de la maintenance doit prendre les mesures appropriées pour régler le problème. Cela peut impliquer la planification de la maintenance, l’ajustement des paramètres de fonctionnement ou la réalisation d’une analyse approfondie pour identifier la cause du problème.

L’implémentation de l’analyse des vibrations dans le cadre d’un programme de maintenance prédictive offre de nombreux avantages :

• Détection précoce des défauts : l’analyse des vibrations peut détecter des défauts dans les machines bien avant qu’ils ne soient visibles ou audibles pour les sens humains. Ces capacités de détection précoce aident les équipes de maintenance à planifier les réparations ou les remplacements avant qu’une défaillance ne survienne, réduisant ainsi les temps d’arrêt et améliorant la productivité globale.
• Amélioration de la planification de la maintenance : en identifiant la gravité des incidents sur les machines, l’analyse des vibrations permet aux équipes de maintenance de hiérarchiser leurs efforts et d’allouer les ressources plus efficacement. Cette approche ciblée peut se traduire par des économies significatives et une amélioration de la fiabilité de l’équipement.
• Coûts de maintenance réduits : détecter et corriger les pannes des machines avant qu’elles n’entraînent des défaillances catastrophiques peut aider les entreprises à éviter des réparations et des remplacements d’équipement coûteux. En outre, la maintenance prédictive basée sur l’analyse des vibrations peut prolonger la durée de vie des machines, réduisant davantage les dépenses d’investissement à long terme. 
• Sécurité améliorée : l’analyse des vibrations peut jouer un rôle crucial dans le maintien d’un environnement de travail sûr pour les employés. La détection et l’adresse proactives des défaillances mécaniques potentielles réduisent considérablement le risque d’accidents et de blessures sur le lieu de travail.
• Une efficacité énergétique améliorée : les machines défectueuses consomment souvent plus d’énergie que nécessaire, ce qui entraîne une augmentation des coûts d’exploitation. En rectifiant les problèmes à l’aide de l’analyse des vibrations, les entreprises optimisent l’efficacité de leurs actifs et réduisent leur consommation d’énergie.

La polyvalence de l’analyse des vibrations en fait une méthodologie utile dans un large éventail de secteurs et de types d’équipements.

Les usines de fabrication utilisent l’analyse des vibrations pour surveiller l’état des moteurs (y compris les moteurs électriques), des boîtes de vitesses, des convoyeurs et des machines-outils. Les données de vibration peuvent être utilisées pour optimiser les processus de production, réduire le risque de panne des équipements et améliorer l’efficacité globale de l’usine.

Dans l’industrie automobile, l’analyse des vibrations joue un rôle important dans la conception, le développement et les tests des composants. L’analyse des caractéristiques de vibration des moteurs, des transmissions et des systèmes de suspension peut permettre aux ingénieurs d’optimiser leurs conceptions pour améliorer les performances et la fiabilité en conditions réelles et accroître le confort des passagers.

Dans le secteur aérospatial, l’analyse des vibrations permet aux ingénieurs d’identifier et d’adresser des problèmes tels que les vibrations excessives, la résonance ou la fatigue des matériaux, afin d’améliorer la fiabilité et la longévité des systèmes d’avions. Et dans le secteur de l’énergie éolienne, l’analyse des vibrations aide les opérateurs de turbines à surveiller la santé des turbines afin d’identifier les déséquilibres des pales, les défaillances des engrenages et/ou les défauts de roulement.

L’analyse des vibrations est un outil précieux dans le monde de la maintenance prédictive, offrant aux organisations la possibilité de détecter les défauts des machines en amont. Comprendre les principes de l’analyse des vibrations et utiliser des logiciels avancés comme IBM Maximo Application Suite peut aider les équipes de maintenance à améliorer considérablement la fiabilité, l’efficacité et la sécurité de leurs équipements.

IBM Maximo est une plateforme intégrée qui aide les entreprises industrielles à optimiser la performance des actifs et à rationaliser les opérations quotidiennes. Avec Maximo, les équipes peuvent configurer des compteurs pour observer et mesurer la santé des actifs et connecter ces compteurs aux capteurs de vibrations installés sur les actifs clés, ce qui les aide à stocker les données des machines et à y accéder plus facilement.

Grâce à une plateforme intégrée alimentée par l’IA et basée sur le cloud, Maximo offre des capacités de CMMS,EAM et APM qui produisent des analyses avancées de données de vibrations et aident les responsables à prendre des décisions de maintenance plus intelligentes, davantage fondées sur les données.

Alors que les secteurs continuent à évoluer et à adopter de nouvelles technologies, l’analyse des vibrations restera à l’avant-garde pour maintenir la santé des machines et garantir des performances optimales. En tirant parti des fonctionnalités avancées et des capacités d’IBM Maximo, les entreprises peuvent transformer leurs opérations de maintenance pour s’adapter à l’environnement (informatique) en constante évolution.