Lorsqu'une machine rotative atteint sa fréquence de résonance, cela peut entraîner de graves dommages à la machine (et à l'usine), des blessures aux employés et des conséquences financières considérables. Ce phénomène doit être évité à tout prix. Bien que la plupart des machines rotatives soient conçues de manière à ce que la fréquence de résonance ne coïncide jamais avec la vitesse de la machine, une résonance peut toujours se produire en raison de défauts de conception, de changements de vitesse ou d'influences externes (telles que la fréquence naturelle de la fondation).
Fréquences critiques
Chaque machine (configuration) possède une ou plusieurs fréquences naturelles, c'est-à-dire la fréquence à laquelle un système tend à vibrer en l'absence de toute force motrice ou d'amortissement. Lorsqu'une machine tournante fonctionne, une certaine fréquence de vibration est produite. Lorsque cette fréquence de vibration coïncide avec la fréquence naturelle de la machine (structure), une résonance mécanique se produit. Dans ce cas, la machine vibre fortement en accord avec la source de vibration, produisant une vibration amplifiée. Les vibrations amplifiées peuvent être si fortes qu'elles ont un effet destructeur sur la machine.
Les causes des vibrations dans les machines tournantes peuvent varier. Pour en savoir plus, consultez les causes des vibrations.
Solution
Il est évident que la résonance doit être évitée. Pour ce faire, des accéléromètres peuvent être utilisés pour surveiller les vibrations de la machine. À l'aide d'un transmetteur, l'accéléromètre peut communiquer avec un PLC, un DCS ou un système SCADA, ce qui permet d'agir rapidement et de manière appropriée en cas de besoin. Il est important de connaître les fréquences critiques (résonnantes), car elles sont utilisées pour définir les valeurs d'alarme. Ces valeurs d'alarme sont destinées à empêcher une machine tournante d'atteindre la fréquence de résonance.
Vous trouverez plus d'informations sur les accéléromètres et leur utilisation dans les pages suivantes :
- Prévenir les dommages aux machines grâce à un système de surveillance des vibrations
- Mesures des vibrations à l'aide d'accéléromètres
- 11 conseils pour choisir le bon accéléromètre industriel IEPE
- Accéléromètres (produits)
Méthodes de détermination de la fréquence de résonance
Il existe plusieurs méthodes pour déterminer la fréquence de résonance d'une machine. Les méthodes les plus couramment utilisées sont présentées ci-dessous.
Essai de choc (essai d'impact)
Un test de déclenchement permet de déterminer la ou les fréquences critiques des machines. Il existe différentes méthodes pour réaliser un test de résistance aux chocs. Il peut s'agir simplement de donner un coup de marteau en caoutchouc au matériau (la machine). L'équipement peut alors prendre un échantillon de quelques secondes (tracé du domaine temporel), la période d'une rotation d'une machine tournante. La durée de l'échantillon dépend des fréquences de résonance déterminées. Il est important de tester la machine à plusieurs endroits ; des mesures doivent être prises à la fois au point d'entraînement et au point de transfert pour déterminer la fréquence de résonance de la machine. Pour ce test, la machine doit être à l'arrêt afin d'éviter les données erronées et de faciliter la détermination de la fréquence naturelle de la machine.
Essai en montée/descente en roue libre
Dans ce que l'on appelle le "coast down peak hold", la vibration est surveillée depuis le moment où la machine est opérationnelle jusqu'à l'arrêt. En l'absence de résonance, le niveau de vibration devrait rester constant. Si le niveau de vibration augmente pendant l'arrêt, la vitesse à laquelle l'amplitude augmente peut indiquer la fréquence naturelle. En plus de ce test, il existe un test plus complet, le "coast down peak phase", qui consiste à mesurer à la fois le niveau de vibration et le déphasage de la machine. De cette manière, il est possible d'identifier la fréquence naturelle (résonnante), qui se situe au milieu du déphasage de 180 degrés.
Formule pour la fréquence propre
Une troisième méthode consiste à calculer simplement la fréquence naturelle à l'aide d'une formule. Toutefois, cette méthode n'est pas aussi simple que la formule le laisse supposer. Pour calculer la fréquence propre (ωn) d'une machine, les paramètres de rigidité (k) et de masse (m) doivent être connus. Ce n'est souvent pas le cas. En particulier, il est très difficile de déterminer la rigidité d'une structure. De plus, la fréquence propre change lorsque l'un des deux paramètres change. C'est pourquoi cette méthode est rarement utilisée.
Modification de la fréquence naturelle
La fréquence naturelle peut être modifiée, par exemple, en changeant la rigidité ou la masse de la machine. En augmentant la masse ou en diminuant la rigidité, la fréquence naturelle diminuera. Inversement, une diminution de la masse et une augmentation de la rigidité entraîneront une augmentation de la fréquence naturelle.
Il n'est pas toujours possible de modifier l'un des paramètres (rigidité ou masse). Dans ce cas, il est possible de modifier la vitesse de rotation de la machine. Toutefois, cette option n'est souvent pas envisageable ; une machine tourne à une certaine vitesse pour une raison précise. Il est également possible de placer un amortisseur dynamique sur la machine, ce qui permet de réduire considérablement les vibrations.
L'une des causes les plus courantes des vibrations extraordinaires des machines, il est important d'éviter de travailler dans la fréquence de résonance. Pour déterminer cette fréquence, des mesures précises sont nécessaires afin d'identifier la fréquence naturelle. Outre la résonance, un déséquilibre, un mauvais alignement ou des composants endommagés jouent souvent un rôle majeur dans l'apparition d'un comportement vibratoire anormal.
