Analyse vibratoire des moteurs et spectre FFT

Avant de tomber en panne, un moteur électrique donne presque toujours un avertissement : la vibration. Usure des roulements, déséquilibre, désalignement, jeu mécanique ou problèmes électriques ; tous laissent une trace dans la signature vibratoire du moteur. L'ingénieur capable de lire ces traces peut détecter la panne des semaines, voire des mois avant l'arrêt du moteur. C'est cette idée qui est au fondement de l'analyse vibratoire. Mais distinguer le type de défaut en regardant le signal vibratoire brut est presque impossible ; car le signal est la somme entremêlée de dizaines de sources différentes. L'outil qui décompose ce signal complexe en éléments significatifs est la FFT, c'est-à-dire la transformée de Fourier rapide. Dans cet article, nous expliquons, avec le point de vue de DRG, ce qu'est la FFT, la différence entre le domaine temporel et le domaine fréquentiel, quelle fréquence indique quel défaut et comment cette information est utilisée en maintenance prédictive.

Pourquoi la vibration annonce-t-elle une panne ?

Un moteur parfaitement équilibré, aligné et solide vibre extrêmement peu. Lorsqu'un composant s'use, se desserre ou perd son équilibre, les forces tournantes deviennent irrégulières et cette irrégularité se transmet au carter sous forme de vibration. L'intensité de la vibration révèle l'ampleur du défaut, sa fréquence en révèle le type. La vibration est donc une langue que parle le moteur ; la FFT est le dictionnaire qui traduit cette langue.

Qu'est-ce qu'un signal du domaine temporel ?

Lorsqu'un capteur de vibration est placé sur le moteur, il produit un signal qui varie dans le temps. Ce signal est appelé donnée du « domaine temporel » ; l'axe horizontal est le temps, l'axe vertical l'amplitude de la vibration. Le signal du domaine temporel donne une idée du niveau vibratoire global du moteur, mais il ne permet pas de séparer les différentes fréquences qu'il contient. C'est comme un unique enregistrement sonore d'un orchestre complexe ; vous ne pouvez pas distinguer quel instrument joue.

Passage au domaine fréquentiel

La FFT prend ce signal complexe du domaine temporel et le réexprime comme la somme des fréquences individuelles qui le composent. Le résultat est le graphique du « domaine fréquentiel » ; l'axe horizontal est la fréquence (en Hz ou par tour), l'axe vertical l'amplitude de la vibration à cette fréquence. Vous entendez désormais chaque instrument de l'orchestre séparément. Là où un pic apparaît, cela signifie que le phénomène mécanique ou électrique correspondant à cette fréquence est mis en évidence.

La valeur pratique de cette transformation est considérable. Alors que dans le domaine temporel vous ne pouvez pas aller plus loin que « le moteur vibre », dans le domaine fréquentiel vous pouvez formuler des affirmations précises comme « déséquilibre à 25 Hz, problème électrique à 100 Hz ». La FFT transforme donc une plainte vague en un diagnostic concret. Cette clarté est la clé pour remplacer la bonne pièce au bon moment et éviter les démontages inutiles.

L'idée fondamentale de Fourier

L'idée avancée par Fourier il y a deux siècles est simple mais puissante : tout signal périodique peut être exprimé comme la somme d'ondes sinusoïdales de fréquences et d'amplitudes différentes. La FFT transforme cette décomposition en un algorithme que l'ordinateur peut exécuter rapidement. Les appareils de mesure vibratoire modernes prélèvent des milliers d'échantillons par seconde et les convertissent instantanément en spectre par FFT.

Fréquence de rotation : la référence de tout

En analyse vibratoire, la référence la plus importante est la fréquence de rotation du moteur. On l'appelle généralement 1x. Par exemple, la fréquence de rotation d'un moteur tournant à 1500 tr/min est de 25 Hz. Toutes les autres fréquences de défaut apparaissent le plus souvent comme des multiples (2x, 3x) ou des rapports déterminés de cette valeur 1x. C'est pourquoi, en lisant un spectre, il faut d'abord trouver le 1x, puis situer les autres pics par rapport à lui.

Déséquilibre : la signature classique en 1x

S'il y a un déséquilibre de masse dans le rotor, une force centrifuge apparaît à chaque tour dans la même direction. Cela crée un pic de vibration dominant exactement à la fréquence de rotation, c'est-à-dire à 1x. Le déséquilibre est l'une des signatures les plus faciles à reconnaître dans le spectre : amplitude élevée à 1x et niveau relativement faible sur les autres harmoniques. L'avantage du déséquilibre est qu'il peut le plus souvent être corrigé par une opération d'équilibrage dynamique ; en ajoutant de petites masses d'équilibrage aux bons endroits du rotor, la vibration est largement atténuée. C'est pourquoi, lorsque vous voyez une signature dominée par le 1x, il est judicieux de contrôler l'équilibrage avant de paniquer.

Désalignement : l'annonciateur du 2x

Si l'accouplement entre l'arbre du moteur et la charge n'est pas parfaitement aligné, une contrainte se répétant deux fois par tour apparaît. Cela se traduit dans le spectre par un pic marqué dans la zone 2x (deux fois la fréquence de rotation). Le plus souvent, en cas de désalignement, le 1x et le 2x augmentent tous les deux, mais la dominance du 2x indique le désalignement.

Jeu mécanique et harmoniques

Si les boulons de pattes se sont desserrés, si un palier n'est pas correctement assis ou si le carter est fissuré, de nombreux harmoniques de la fréquence de rotation (1x, 2x, 3x, 4x...) apparaissent dans le spectre vibratoire. Le jeu « écrête » pour ainsi dire le signal et crée de nombreux pics latéraux. L'augmentation simultanée de plusieurs harmoniques est un signe classique de jeu mécanique.

Un point à surveiller dans le diagnostic du jeu est que le problème ne se situe le plus souvent pas dans le moteur lui-même, mais dans son montage. Un boulon qui n'a pas été serré au bon couple ou un socle mal assis fait vibrer même le moteur le plus solide. C'est pourquoi, lorsqu'une signature de jeu apparaît, on contrôle d'abord les fixations mécaniques et le montage ; le plus souvent, la solution est un simple resserrage.

Ne tombez pas dans le piège de la résonance

Tout pic de vibration n'est pas un défaut. Il arrive que la fréquence propre de la structure coïncide avec la fréquence de fonctionnement et qu'une résonance apparaisse ; celle-ci fait qu'une force même faible se transforme en forte vibration. Pour distinguer la résonance d'un véritable défaut mécanique, il faut modifier la vitesse du moteur et observer le comportement du pic. La résonance se corrige le plus souvent en augmentant la rigidité du montage ou en décalant le point de fonctionnement.

Défauts de roulement : des signatures à haute fréquence

Les défauts de roulement sont le domaine où l'analyse vibratoire est la plus puissante. La bague intérieure, la bague extérieure, les billes et la cage d'un roulement ont chacune leur propre fréquence de passage. Ces fréquences ne sont pas des multiples entiers de la fréquence de rotation ; ce sont généralement des rapports décimaux, bien supérieurs à la fréquence de rotation. L'apparition d'un pic à ces fréquences particulières dans le spectre indique une usure précoce de l'élément de roulement concerné.

Le plus grand intérêt des défauts de roulement est qu'ils peuvent être détectés très tôt. Lorsqu'une fissure microscopique apparaît sur une bague, alors qu'il n'y a encore ni bruit ni échauffement, un petit pic apparaît dans le spectre à sa fréquence caractéristique. Grâce à cet avertissement précoce, le roulement peut être remplacé avant d'être complètement détruit et sans endommager l'arbre. Un défaut de roulement traité trop tard peut en revanche rayer l'arbre, contraindre le carter et se transformer en une réparation bien plus coûteuse. C'est pourquoi surveiller les fréquences de roulement est le volet le plus rentable de la maintenance prédictive.

Défauts électriques : 2x la fréquence du réseau

Certaines vibrations ne sont pas d'origine mécanique mais électrique. Des problèmes de stator, des irrégularités d'entrefer ou des défauts de rotor peuvent créer un pic de vibration au double de la fréquence du réseau (100 Hz sur un réseau à 50 Hz). Cette signature 2x réseau ne doit pas être confondue avec des défauts mécaniques ; car sa solution est totalement différente. Pour les défauts de rotor d'origine électrique, l'analyse de la signature de courant est aussi un complément puissant ; nous l'avons traitée dans notre article diagnostic de barre de rotor cassée par MCSA .

Tableau des relations fréquence–défaut

Le tableau suivant résume la relation entre les pics de fréquence typiques observés dans le spectre et les types de défauts possibles. Ce tableau sert de référence rapide lors de la lecture d'un spectre.

Amplitude ou fréquence : qu'est-ce qui compte ?

La fréquence vous indique le type du défaut, l'amplitude son intensité. Si un pic apparaît à la bonne fréquence et que son amplitude augmente avec le temps, cela signifie que le défaut progresse. C'est pourquoi ce n'est pas une mesure isolée mais la tendance dans le temps qui est bien plus précieuse. Comparer le spectre d'aujourd'hui avec celui d'il y a six mois révèle une usure cachée.

La puissance du suivi de tendance

L'essence de la maintenance prédictive n'est pas une photographie unique mais un film. Suivre l'évolution de l'amplitude à une fréquence donnée sur des semaines et des mois vous permet de prévoir quand le défaut atteindra le seuil critique. La maintenance se transforme ainsi en un arrêt planifié au lieu d'un arrêt imprévu. Vous trouverez les bases de cette approche dans notre article maintenance prédictive des moteurs électriques .

Capteurs sans fil et surveillance continue

Autrefois, pour mesurer les vibrations, un technicien se rendait sur site et mesurait les moteurs un par un avec son appareil. Aujourd'hui, les capteurs de vibration sans fil fixés en permanence sur le moteur collectent des données 24 h/24 et 7 j/7 et réalisent automatiquement l'analyse FFT. Cette surveillance continue détecte même les défauts à évolution rapide. Nous avons détaillé le sujet dans notre article surveillance d'état par capteur de vibration sans fil .

Résolution et échantillonnage

La qualité de l'analyse FFT dépend de la quantité de données collectées. Une fréquence d'échantillonnage élevée vous permet de voir des fréquences plus hautes ; une longue durée de mesure augmente votre capacité à distinguer deux fréquences proches, c'est-à-dire la résolution. Pour capter des signatures à haute fréquence comme un défaut de roulement, un échantillonnage suffisamment rapide est indispensable.

Que révèlent les bandes latérales ?

Il arrive que de petits pics régulièrement espacés apparaissent de part et d'autre du pic principal. On les appelle bandes latérales (sideband). Les bandes latérales montrent qu'une vibration est modulée par une autre fréquence et apparaissent généralement lors de défauts de roulement ou d'engrenage. L'espacement des bandes latérales révèle quel composant est en cause.

Relation entre vibration et bruit

La vibration et le bruit ont le plus souvent la même origine. Un pic de vibration observé dans le spectre se manifeste le plus souvent aussi comme un bruit audible. C'est pourquoi l'analyse vibratoire est en même temps un moyen de diagnostiquer les sources de bruit. Nous avons examiné cette relation dans notre article réduction du bruit et des vibrations des moteurs électriques .

L'importance du point de mesure

L'endroit et la direction dans lesquels le capteur est placé sur le moteur influent directement sur la justesse de la mesure. On effectue généralement des mesures dans trois directions, horizontale, verticale et axiale ; car chaque type de défaut vibre plus fortement dans une direction différente. Par exemple, le désalignement est plus marqué dans la direction axiale, le déséquilibre dans la direction radiale.

Éviter les mauvaises interprétations

La FFT est un outil puissant, mais son interprétation demande de l'expérience. Plusieurs types de défauts peuvent créer un pic à la même fréquence ; il faut donc évaluer le spectre en tenant compte de la structure du moteur, de sa vitesse et de ses données historiques. Poser un diagnostic hâtif en ne regardant qu'un seul pic peut conduire à de mauvaises décisions de maintenance.

Lien avec le rendement

Une vibration croissante signifie le plus souvent des pertes croissantes. Un roulement qui frotte ou un accouplement désaligné augmente les pertes mécaniques et abaisse le rendement du moteur. Maintenir les vibrations à un bas niveau ne prévient donc pas seulement les pannes, cela réduit aussi la consommation d'énergie. Vous trouverez les sources des pertes de rendement dans notre article pertes de rendement des moteurs électriques .

Vibrations dans les systèmes à variateur

Sur les moteurs entraînés par variateur de fréquence, le spectre vibratoire peut contenir des composantes supplémentaires liées à la fréquence de découpage du variateur. C'est pourquoi, en analysant des systèmes à vitesse variable, séparez les signatures électriques produites par le variateur des défauts mécaniques. Cela demande aussi un œil expérimenté. De plus, comme la vitesse du moteur change en permanence dans les systèmes à variateur, la référence 1x n'est pas fixe non plus. Dans ce cas, pour lire correctement le spectre, la vitesse réelle au moment de la mesure doit être connue et les fréquences doivent être mises à l'échelle en conséquence. Sinon, une interprétation faite par rapport à une référence fixe devient trompeuse.

Les appareils de mesure vibratoire modernes résolvent ce problème en synchronisant la vitesse instantanée du moteur avec un tachymètre ou avec les données du variateur. Les signatures de défaut peuvent ainsi être suivies de manière fiable même dans les applications à vitesse variable. Une conception correcte de l'ensemble variateur-moteur améliore à la fois le rendement et la traçabilité.

Qu'est-ce que l'analyse d'enveloppe (envelope) ?

Au stade précoce des défauts de roulement, la véritable signature du défaut est faible et se cache dans des vibrations à haute fréquence. Une technique particulière appelée analyse d'enveloppe filtre cette zone à haute fréquence et met en évidence les impulsions répétitives qu'elle contient. Ainsi, même un défaut de roulement encore très petit devient perceptible. L'analyse d'enveloppe est un complément puissant pour détecter les défauts précoces que la FFT classique ne voit pas et elle est présente en standard sur la plupart des appareils de surveillance modernes.

La FFT dans l'application industrielle

Dans les applications industrielles lourdes comme le concassage, les pompes, les ventilateurs et les convoyeurs, les moteurs travaillent dans des conditions difficiles et l'analyse vibratoire y devient inestimable. Vous pouvez découvrir les solutions de moteurs robustes de DRG destinées à ce type d'applications dans notre article moteurs électriques industriels .

Intégration au plan de maintenance

L'analyse FFT n'est pas à elle seule un miracle ; sa puissance apparaît lorsqu'elle fait partie d'un programme de maintenance régulier. Prendre des mesures à intervalles définis, enregistrer les résultats et suivre les tendances maintient la santé du moteur sous contrôle permanent. On intervient ainsi avant que les défauts ne s'aggravent.

Une logique de diagnostic pas à pas

En pratique, le diagnostic se déroule généralement ainsi : on regarde d'abord si le niveau vibratoire global est normal ; s'il est élevé, on ouvre le spectre ; on examine si la fréquence dominante est 1x, 2x ou à haute fréquence ; on met en correspondance la fréquence trouvée avec le tableau ; et enfin on évalue l'urgence du défaut à l'aide des données de tendance. Cette approche systématique remplace la supposition par une décision fondée sur les données.

Un fonctionnement sain et silencieux avec DRG Motor

L'analyse vibratoire et la FFT sont le moyen le plus puissant de lire de l'extérieur le monde intérieur d'un moteur ; bien utilisées, elles suppriment en grande partie les arrêts imprévus, les pertes d'énergie et les coûts de panne inattendus. Chez DRG, en plus de nos moteurs fabriqués pour fonctionner de façon équilibrée et silencieuse, nous offrons un support d'ingénierie afin que ces moteurs restent sains pendant toute leur durée de vie. Si vous souhaitez comprendre le comportement vibratoire des moteurs de votre installation, mettre en place la bonne stratégie de capteurs et de surveillance ou passer à des moteurs équilibrés de nouvelle génération, contactez-nous. DRG Motor est à vos côtés avec des solutions de moteurs fiables et pilotées par les données.