L'une des cartes de défaut Augury qui peut être attribuée à n'importe quel composant (moteur, boîte de vitesses, pompe, ventilateur, un actif entier, etc…) s'appelle Résonance. C'est un sujet très compliqué ; il peut être difficile à comprendre, difficile à diagnostiquer et parfois difficile ou coûteux à réparer.
Pour comprendre ce qu'est la résonance, nous devons d'abord définir certains termes.
- Fréquence naturelle : Également appelée fréquence de résonance, il s'agit de la fréquence d'oscillation libre d'une structure déplacée de son équilibre. Un exemple est un diapason ou une cloche… lorsque vous le frappez, la fréquence que vos oreilles entendent est la fréquence naturelle. Elle est indépendante de tout signal d'entrée et est une propriété d'une structure. Elle est dictée par la masse, la rigidité et l'amortissement d'une structure. Lorsque de l'énergie est injectée dans la structure en l'impactant et qu'elle est autorisée à vibrer sans être perturbée, elle vibrera (sonnera) à la fréquence naturelle.
- Fréquence de forçage : dans le cadre de cette discussion, une fréquence de forçage est la fréquence d'entrée d'énergie dans une structure. Un exemple de cela est la vitesse de fonctionnement (alias fréquence de fonctionnement) d'un arbre dans un équipement rotatif. Chaque arbre présente un léger déséquilibre résiduel, et si l'arbre tourne à 1800 tr/min, alors l'énergie est injectée par l'arbre à 1800 tr/min. Si l'arbre est connecté à une pompe à palettes qui comporte 9 palettes de pompage, alors ces palettes passent par une partie fixe de cet équipement 9 fois pour chaque rotation de l'arbre... donc la fréquence de forçage serait de 9 * vitesse de l'arbre = 9 * 1800 = 16 200 tr/min.
- Résonance : La résonance se produit lorsqu'une fréquence de forçage coïncide avec une fréquence naturelle et provoque l'amplification de l'amplitude de la vibration d'entrée forcée. En suivant l'exemple ci-dessus pour un arbre tournant à 1800 tr/min, si la fréquence naturelle de la structure se trouve également être de 1800 tr/min, alors la machine est en résonance.
Chaque structure possède des fréquences naturelles et chaque équipement rotatif possède des fréquences de forçage. Cependant, la résonance ne se produit que lorsque ces fréquences s'alignent les unes sur les autres. La fréquence naturelle d'une structure reste généralement inchangée tout au long de sa vie, mais une fréquence de forçage peut changer. Par exemple, lorsque le moteur tourne à différentes vitesses (VFD), il modifie effectivement sa fréquence de forçage.
Pour compliquer encore les choses, la résonance peut exister dans une structure sans pour autant constituer un problème. C'est le cas lorsqu'il y a un changement notable de vibration à certaines vitesses de la machine, mais que l'amplitude de vibration n'est pas si élevée qu'elle soit dangereuse ou qu'elle endommage la machine. Voir l'image ci-dessus, où il y a une résonance à 37 Hz, mais l'amplitude de vibration pour ce type de machine n'est pas un problème (0,25 ips contre 0,35 ips). La résonance est un problème lorsque l'amplitude de vibration dans des conditions de résonance crée tellement de mouvement et d'énergie qu'elle peut causer des problèmes de fiabilité. Le début de cet article mentionnait que la résonance est une carte de défaut qu'Augury peut attribuer. En réalité, la résonance est une condition, et elle ne devient un défaut que lorsque les amplitudes de vibration deviennent un problème.
- La résonance dans Monitor peut signifier qu'il existe des preuves d'une possible condition de résonance, mais peut-être que nous n'avons pas vu suffisamment de vitesses de fonctionnement pour déterminer si les amplitudes sont trop élevées. Cela peut également signifier que la résonance a été identifiée, mais que nous la surveillons pour voir combien de temps elle passe à des amplitudes élevées afin de peser une décision sur l'opportunité de poursuivre les réparations.
- La résonance en cas d'alarme ou de danger signifie que les amplitudes de vibration sont élevées et pourraient provoquer des dommages prématurés à la machine, une défaillance instantanée ou être dangereuses du point de vue de la sécurité.
Alors, pensez-vous avoir une bonne maîtrise de la résonance ? Eh bien, laissez-moi vous en dire plus. Vous vous souvenez quand j'ai dit plus haut que « chaque structure a des fréquences naturelles et chaque équipement rotatif a des fréquences de forçage » ? Prenez note du pluriel dans les fréquences. Non seulement une structure entière peut avoir une fréquence naturelle, mais différentes pièces d'un actif peuvent chacune avoir sa propre fréquence naturelle, ce qui signifie que vous n'avez pas affaire à une seule fréquence, mais à plusieurs fréquences. Et nous avons déjà parlé de la façon dont il peut y avoir plusieurs fréquences de forçage dans les équipements rotatifs, pas seulement la vitesse de l'arbre et l'engrènement du rotor, mais aussi les fréquences d'engrènement des engrenages, les fréquences des roulements, ou même des fréquences spécifiques à la conception de la machine et à ce qu'elle fait (comme les fréquences dynamiques des fluides).
Voici un schéma de principe gratuit d'une pompe verticale simple avec un tuyau autoportant sortant du côté (faites preuve d'humour avec le dessin, ce n'est qu'un exemple !).
Le moteur, la pompe et le tuyau ont chacun leur propre fréquence naturelle. De plus, les combinaisons d'accessoires ont chacune une fréquence naturelle, et enfin, la structure entière montée sur la base a une fréquence naturelle. Les tests visant à déterminer quelle partie de l'actif peut être à l'origine de la résonance et le type de résonance peuvent être extrêmement épuisants et peuvent nécessiter plusieurs méthodes de test très avancées. Chaque fois qu'une machine Augury est marquée d'une carte de défaut de résonance, nous ne pouvons pas vraiment dire quel composant pourrait être en cause ou où des améliorations devraient être apportées. Le dépannage doit donc probablement commencer par effectuer quelques ajustements à la fois et surveiller les changements de vibration.
Ce qu'il faut faire
Ce qui nous amène à la grande question.Que fait-on en cas de défaut de résonance ?Eh bien, si la résonance n'existe que lorsqu'une fréquence naturelle et une fréquence de forçage s'alignent... alors il suffit de déplacer une fréquence pour qu'elles ne s'alignent plus. C'est simple à dire, mais plus difficile à faire. Commençons par essayer de déplacer la fréquence de forçage, ce qui peut être fait en définissant des instructions de fonctionnement ou en mettant en œuvre des verrouillages de vitesse (pour empêcher la machine de tourner aux fréquences problématiques connues). Lorsque Augury identifie la résonance, nous pouvons également fournir des informations telles que la plage de fréquences où la résonance est un problème. Si une fréquence naturelle est à 32 Hz, la communication peut consister à éviter les vitesses comprises entre 28 et 36 Hz. Voir ci-dessous pour les données de tendance et à quoi ressemblent ces données une fois que la vitesse et les vibrations sont tracées ensemble.
Dans le graphique ci-dessus, vous voyez des pics apparemment aléatoires dans la tendance de l'amplitude des vibrations (tendance supérieure). Mais ils ne sont pas aléatoires. En examinant de plus près ces données et les vitesses correspondantes (tendance inférieure), ces amplitudes de vibration élevées sont dues à une résonance autour de 32 Hz !
Si vous tracez les données de vitesse du moteur en fonction de l'amplitude des vibrations, vous pouvez voir que les vibrations sont élevées lorsque le moteur fonctionne entre 28 et 36 Hz. Si cette vitesse est quelque chose de facile à éviter, le simple fait de définir des limitations de vitesse améliorera la fiabilité de l'actif.
La raison pour laquelle il s'agit d'une plage de fréquences au lieu d'une seule fréquence est due à une propriété structurelle appelée amortissement. L'augmentation de l'amortissement dans une structure peut réduire l'amplitude des vibrations et peut légèrement déplacer la fréquence de résonance. Cependant, l'augmentation de l'amortissement peut élargir encore davantage la plage de fréquences où la résonance se produit, ce qui signifie que vous devez éviter de fonctionner à des vitesses plus élevées. Si vous pouvez réduire suffisamment l'amplitude causée par la résonance pour qu'elle ne devienne plus un problème, alors l'amortissement peut être une option. Sinon, l'ajout d'amortissement peut aggraver vos vibrations de fonctionnement. Cela nous amène à notre deuxième option pour que les fréquences se déplacent pendant la résonance : la fréquence naturelle.
La fréquence naturelle peut être légèrement manipulée en ajustant l'amortissement, mais pas de manière appréciable. La meilleure façon de modifier une fréquence naturelle est d'ajuster la masse ou la rigidité. L'augmentation de la masse ou la diminution de la rigidité déplace la fréquence naturelle vers une fréquence plus basse. La diminution de la masse ou l'augmentation de la rigidité déplace la fréquence naturelle vers une fréquence plus élevée. Une analogie simple est celle d'une corde de guitare. Si vous pincez la corde, puis tournez le bouton d'accordage pour la serrer, cela fait augmenter la fréquence (rigidité accrue). Si vous ajoutez une masse à la corde et que vous la jouez, elle vibrera à une fréquence plus basse (masse accrue). En éloignant une fréquence naturelle des vitesses où les fréquences de forçage pourraient s'aligner avec elle, vous pouvez empêcher la résonance de se produire.
Fréquence naturelle n= Rigidité (k)Masse (m)
Lorsque vous essayez d'ajuster la fréquence naturelle d'une machine, il est important d'en discuter avec le fabricant d'équipement d'origine (OEM). Parfois, ils ont des solutions ou des suggestions simples pour lutter contre la résonance. Ou ils peuvent vous informer si les modifications de conception que vous prévoyez risquent d'endommager la machine.
Enfin, si vous devez vraiment essayer d'ajuster votre fréquence naturelle, il est judicieux de réaliser des tests ou des simulations supplémentaires pour vous assurer que les modifications que vous souhaitez apporter auront un effet appréciable. D'autres formes de tests incluent l'analyse d'impact modal (la forme brute de celle-ci est appelée test de choc), l'analyse de la forme de déflexion opérationnelle (ODS) ou éventuellement l'amplification de mouvement pour aider à identifier le mode de flexion.
Résumé
La résonance est une réaction physique naturelle qui se produit entre la fréquence naturelle d'une structure et la fréquence de forçage de l'équipement rotatif. Ces fréquences existent dans tous les équipements rotatifs et ne deviennent un problème que lorsqu'elles s'alignent et provoquent des amplitudes de vibration qui augmentent la contrainte sur les composants de l'équipement. Il peut être compliqué de l'identifier et de la corriger en raison des multiples composants et des multiples fréquences qui existent pour chaque composant. Lorsque des défauts résonants sont identifiés, il est important de les corriger pour éviter de surcharger l'équipement. Cette contrainte continue pendant des durées de fonctionnement prolongées conduit finalement à des pannes répétées sans cause fondamentale évidente.