Lorsqu’une machine tournante atteint sa fréquence de résonance, cela peut entraîner des dommages graves à la machine (et à l’usine), des blessures aux employés et des conséquences financières considérables. Il faut à tout prix éviter cela. Bien que la plupart des machines tournantes soient conçues de manière à ce que la fréquence de résonance ne coïncide jamais avec la vitesse de la machine, une résonance peut tout de même se produire en raison de défauts de conception, de variations de vitesse ou d’influences externes (telles que la fréquence propre de la fondation).
Fréquences critiques
Chaque machine (configuration) possède une ou plusieurs fréquences propres ; il s’agit de la fréquence à laquelle un système a tendance à vibrer en l’absence de toute force motrice ou d’amortissement. Lorsqu’une machine tournante est en fonctionnement, une certaine fréquence de vibration est générée. Lorsque cette fréquence de vibration coïncide avec la fréquence propre de la machine (structure), il se produit une résonance mécanique. Dans ce cas, la machine vibre fortement en accord avec la source de vibration, produisant ainsi 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 la section « Causes des vibrations ».
Solution
Il est clair qu’il faut éviter la résonance. Pour cela, des accéléromètres peuvent être utilisés pour surveiller les vibrations des machines. À l’aide d’un transmetteur, l’accéléromètre peut communiquer avec un automate programmable (PLC), un système de contrôle distribué (DCS) ou un système SCADA, ce qui permet de prendre des mesures rapides et appropriées en cas de besoin. Il est important de connaître les fréquences critiques (de résonance), car celles-ci servent à définir les valeurs d’alarme. Ces valeurs d’alarme ont pour but d’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 de vibrations à l’aide d’accéléromètres
- 11 conseils pour choisir le bon accéléromètre IEPE industriel
- 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.
Test de choc (test d’impact)
Un test de choc permet de déterminer la ou les fréquences critiques des machines. Il existe différentes méthodes pour réaliser un test de choc. Cela peut être aussi simple que de donner un coup au matériau (la machine) à l’aide d’un marteau en caoutchouc. L’équipement peut alors prélever un échantillon de quelques secondes (tracé dans le domaine temporel), soit la durée d’un tour complet d’une machine tournante. La durée de l’échantillon dépend des fréquences de résonance déterminées. Il est important de tester la machine en plusieurs endroits ; les mesures doivent être prises à la fois au point d’entraînement et au point de transfert afin de déterminer la fréquence de résonance de la machine. Pour ce test, la machine doit être à l’arrêt afin d’éviter des données erronées et de faciliter la détermination de sa fréquence propre.
Essai de montée en régime / de décélération
Dans ce qu’on appelle le « maintien de la valeur de crête en décélération », les vibrations sont surveillées depuis le moment où la machine est en fonctionnement jusqu’à son arrêt. En l’absence de résonance, le niveau de vibrations devrait rester constant. Si le niveau de vibrations augmente pendant l’arrêt, la vitesse à laquelle l’amplitude augmente peut indiquer la fréquence propre. Outre cet essai, il existe le test plus complet dit de « phase de crête en décélération », qui mesure à la fois le niveau de vibration et le déphasage de la machine. De cette manière, il est possible d’identifier la fréquence propre (de résonance), qui se situe au milieu du déphasage de 180 degrés.
Formule de la fréquence propre
Une troisième méthode consiste simplement à calculer la fréquence propre à l’aide d’une formule. Cependant, cela n’est pas aussi simple que la formule pourrait le laisser entendre. Pour calculer la fréquence propre (ωn) d’une machine, il faut connaître les paramètres de rigidité (k) et de masse (m). 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 varie dès lors que l’un des deux paramètres change. C’est pourquoi cette méthode est rarement utilisée.
Modification de la fréquence propre
La fréquence propre peut être modifiée, par exemple, en modifiant la rigidité ou la masse de la machine. En augmentant la masse ou en diminuant la rigidité, la fréquence propre diminuera. À l’inverse, une diminution de la masse et une augmentation de la rigidité entraîneront une augmentation de la fréquence propre.
Il n’est pas toujours possible de modifier l’un des paramètres (rigidité ou masse). Dans ce cas, la vitesse de rotation de la machine peut être modifiée. Cependant, cela n’est souvent pas envisageable ; une machine tourne à une certaine vitesse pour une raison précise. Il est également possible d’installer un amortisseur dynamique sur la machine, ce qui permet de réduire considérablement les niveaux de vibrations.
Comme il s’agit de l’une des causes les plus courantes de vibrations extraordinaires des machines, il est important d’éviter de fonctionner à la fréquence de résonance. Pour déterminer cette fréquence, une mesure précise est nécessaire afin d’identifier la fréquence propre. Outre la résonance, le déséquilibre, le désalignement ou des composants endommagés jouent souvent un rôle majeur dans l’apparition de vibrations anormales.
