AXILINEComment lire le spectre de vibration : 1x, 2x et harmoniques
Le vibromètre affiche 8 mm/s. Un seul chiffre ne dit pas quoi faire : équilibrer le rotor, aligner les arbres ou commander un roulement. Le spectre décompose la vibration par fréquences et répond à la question « d'où vient-elle ». Nous détaillons ci-dessous les images que vous allez voir à l'écran, ce que chacune signifie et comment vérifier l'hypothèse avant de prendre l'outil.
Le spectre montre de quoi se compose votre vibration
Situation classique : un ventilateur s'est mis à vibrer après le nettoyage de la roue. Vous avez posé un capteur, relevé 9 mm/s, et vous vous êtes arrêté là. La suite passe par le spectre.
L'appareil enregistre le signal de l'accéléromètre posé sur le palier, et la FFT — transformée de Fourier rapide, généralement indiquée « FFT » sur les appareils — convertit cet enregistrement du domaine temporel au domaine fréquentiel. À l'écran, vous voyez une série de lignes verticales. La position horizontale de chaque ligne donne la fréquence, sa hauteur donne l'amplitude. Une sinusoïde devient une seule ligne.
Comptez ensuite tout en tours, pas en hertz. La fréquence de rotation, c'est 1x. Un ventilateur à 1450 tr/min donne 1x = 24,2 Hz, 2x = 48,3 Hz, 3x = 72,5 Hz. Convertissez les hertz en multiples tout de suite, sinon le spectre reste pour vous un simple tas de chiffres.
Comparez au passage les deux chiffres que l'appareil affiche côte à côte : la vibration globale et la composante 1x. L'équilibrage ne réduit que 1x. Une vibration globale de 9 mm/s avec un 1x = 8 mm/s signifie que c'est le rotor qui vibre. Une vibration globale de 9 avec un 1x = 2 signifie qu'équilibrer ne servirait à rien : la cause est ailleurs.
Règle de tri simple : divisez la fréquence du pic par la fréquence de rotation. Si vous obtenez 1,0 / 2,0 / 3,0, regardez du côté du rotor, de l'accouplement, de la fixation. Si vous obtenez 3,7 ou 6,4, cherchez du côté du roulement, des pales, des dents d'engrenage, de la courroie.
Quatre images à reconnaître au premier coup d'œil
1x domine
Le pic à la fréquence de rotation dépasse les autres lignes de plusieurs fois, le spectre paraît presque vide, la vibration globale est proche de 1x, et la phase de 1x (l'angle qui indique à quel point du tour la vibration atteint son maximum) reste stable d'une mesure à l'autre. C'est un balourd. L'équilibrage est pertinent et donne en général un résultat en une seule intervention.
2x marqué
2x est comparable à 1x, voire le dépasse, la vibration axiale a augmenté, et la phase de part et d'autre de l'accouplement diffère d'environ 180°. C'est l'allure typique d'un désalignement ou d'un accouplement usé. L'équilibrage ne le corrigera pas : la machine a besoin d'un alignement des arbres.
Peigne d'harmoniques
1x, 2x, 3x, 4x et au-delà, souvent avec des demi-harmoniques à 0,5x et 1,5x, et un plancher de bruit — le fond uniforme entre les pics — relevé. C'est un jeu mécanique, un pied fissuré, un scellement friable, un frottement. Ce type de spectre se confirme à la clé et à l'inspection, pas par le logiciel.
Des pics haut en fréquence, non multiples du régime
Des lignes à 3,7x, 5,2x, 8,4x, aux bords flous, qui montent mois après mois. Le plus souvent des roulements. L'équilibrage n'y change rien, préparez le remplacement.
Tableau : ce que vous voyez, la cause probable, comment vérifier
| Ce que vous voyez dans le spectre | Cause probable | Comment vérifier |
|---|---|---|
| 1x domine, globale ≈ 1x, phase de 1x stable | Balourd du rotor | Masse d'essai de masse connue à un rayon connu. Un essai valable modifie l'amplitude de 1x de 20 à 30 % ou la phase de 20 à 30° |
| 1x et 2x sont comparables, la vibration axiale a augmenté | Désalignement des arbres, accouplement usé ou trop serré | Comparez la phase de part et d'autre de l'accouplement. Déposez ensuite le demi-accouplement et vérifiez l'alignement des arbres au comparateur ou au système laser |
| Peigne 1x, 2x, 3x… plus 0,5x et 1,5x, plancher de bruit relevé | Fixation desserrée, fissure, frottement du rotor contre le carter | Serrage des boulons de fondation, contrôle du pied mou, des jeux et des ajustements. Regardez le signal temporel : un desserrage donne des chocs et une phase instable |
| Pic à deux fois la fréquence du réseau (100 Hz sur un réseau à 50 Hz) | Excentricité de l'entrefer, stator desserré | Test de coupure d'alimentation. La raie d'origine électromagnétique disparaît instantanément, une raie mécanique décroît progressivement pendant le ralentissement libre |
| Bandes latérales symétriques autour de 1x, espacées de quelques hertz | Barres cassées ou fissurées du rotor d'un moteur asynchrone | Il faut une résolution fine en fréquence plus une analyse du courant statorique. C'est le travail du service électrique, pas de l'équilibrage sur site |
| Nombreuses lignes plus haut en fréquence, non multiples de 1x, floues, avec un plancher de bruit qui monte | Défauts de roulements | Spectre d'enveloppe de l'accélération dans la bande 2 à 10 kHz (traitement qui fait ressortir les chocs), température du palier, historique de tendance, contrôle du graissage |
| Raie subsynchrone de 0,4 à 0,5x (en dessous du régime de rotation) sur une machine à paliers lisses | Instabilité du film d'huile (oil whirl) | Ce n'est pas un travail pour des capteurs posés sur le carter. Il faut des capteurs de proximité sans contact sur l'arbre (proximètres) et une analyse des orbites — les trajectoires du centre de l'arbre |
| Pics à la fréquence de passage des pales (nombre de pales × 1x) plus un bruit large bande | Hydraulique : cavitation, décrochage de l'écoulement, encrassement | Pression à l'aspiration, régime de fonctionnement réel, état de la roue |
| L'amplitude grimpe fortement sur une plage étroite de régime, la phase de 1x bascule d'environ 180° | Résonance de la structure ou des paliers | Montée en régime et ralentissement libre avec enregistrement de l'amplitude et de la phase, test au choc. On ne peut pas équilibrer en résonance, le résultat ne tiendra pas |
Ce tableau donne une hypothèse, pas une conclusion. La même image de spectre peut avoir deux causes différentes, et inversement : un desserrage peut faire monter 1x, et un désalignement peut ajouter des harmoniques.
Résolution en fréquence : Δf = Fmax / N
Le spectre est constitué de lignes discrètes. L'écart entre deux lignes voisines se calcule ainsi : Δf = Fmax / N, où Fmax est la limite supérieure du spectre et N le nombre de lignes. Cette même formule a une seconde moitié qu'on oublie souvent : Δf = 1 / T, où T est la durée d'enregistrement.
La conséquence pratique est unique : pour séparer deux pics proches, il faut un enregistrement long. Pour Δf = 1 Hz, enregistrez une seconde. Pour Δf = 0,1 Hz, enregistrez dix secondes. Ni le moyennage, ni le lissage, ni un joli affichage ne permettent de contourner cela.
Prenons un exemple concret. Un moteur asynchrone à 1480 tr/min, 1x = 24,67 Hz. Vous cherchez une barre de rotor cassée, qui produit des bandes latérales espacées de 2·s·P, où s est la fréquence de glissement en hertz et P le nombre de paires de pôles. Avec un glissement de 1,3 % et deux paires de pôles, l'écart vaut 1,3 Hz. Il faut donc séparer les lignes à 24,67 et 23,37 Hz, ce qui demande un Δf de l'ordre de 0,3 Hz et un enregistrement d'au moins 3,3 s. Un réglage N = 6400 avec Fmax = 2000 Hz donne Δf = 0,3125 Hz et T = 3,2 s. Vous verrez les bandes.
L'erreur inverse est encore plus fréquente. Vous réglez Fmax = 10 kHz « pour tout voir », vous gardez le même nombre de lignes, et la résolution devient dix fois plus grossière. Les lignes proches fusionnent en un seul pic épais, et du bruit haute fréquence inutile s'invite dans la mesure. Réglez Fmax en fonction du défaut le plus haut en fréquence que vous cherchez réellement.
- Δf = Fmax / N : plus de lignes pour le même Fmax, plus la résolution est fine.
- T = 1 / Δf : une résolution fine se paie toujours en temps d'enregistrement.
- Sur un organe lent, l'enregistrement s'allonge. Un cylindre à 60 tr/min demande des secondes, pas des millisecondes.
- Le régime doit rester stable pendant l'enregistrement. Une dérive de vitesse supérieure au quart de Δf étale le pic sur plusieurs lignes voisines du spectre, l'amplitude chute, et vous en concluez à tort que le défaut a disparu.
Sur un entraînement à variateur de fréquence avec une charge fluctuante, impossible d'obtenir une résolution fine : la vitesse dérive pendant l'enregistrement. On y travaille alors par analyse d'ordres — un spectre construit en multiples du régime, calé sur le repère de rotation.
Bandes latérales : regardez l'écart, pas la hauteur
Une bande latérale est une ligne située près d'un pic important, en miroir de part et d'autre de celui-ci. Elle signale une modulation : l'amplitude ou la fréquence de l'oscillation porteuse varie périodiquement. L'écart entre les bandes est égal à la fréquence de modulation, et c'est cet écart qui vous désigne le coupable.
Mesurez l'écart et comparez-le à la cinématique : la fréquence de rotation de chaque arbre, le nombre de dents, le nombre de pales, le glissement du moteur. Tant que vous n'avez pas trouvé de correspondance, il est prématuré de parler de « modulation ».
- Écart égal à 1x d'un arbre : la source frotte ou se charge une fois par tour de cet arbre. Pignon excentré, charge inégale sur un palier.
- Bandes autour de la fréquence d'engrènement, écart égal à la fréquence de rotation d'un des pignons : c'est ce pignon-là qui est défectueux.
- Bandes autour du 1x moteur, espacées de quelques hertz : barres du rotor.
- Bandes autour d'une fréquence de roulement, espacées de 1x : défaut de la bague intérieure ou charge inégale sur la circonférence.
- Deux lignes proches sans bandes symétriques autour d'elles : ce n'est pas une modulation, mais un battement entre deux sources indépendantes. Par exemple, deux ventilateurs sur un même conduit à 24,5 et 24,9 Hz. La machine est saine, on entend une « pulsation ».
Erreur fréquente : prendre deux lignes voisines par hasard pour des bandes latérales, ou une résolution trop faible pour leur absence. Avec un Δf grossier, les bandes se confondent simplement avec la porteuse.
Le spectre seul ne pose pas de diagnostic
Le spectre fait une moyenne. Il montre honnêtement quelles fréquences sont présentes en moyenne, et il masque les événements isolés. Un roulement à un stade précoce ne donne qu'un choc rare, une fois tous les quelques tours de l'arbre. Dans le spectre, ce choc se dilue dans le bruit ; dans le signal temporel, vous voyez des impulsions distinctes.
- Signal temporel. Cherchez des chocs, un écrêtage des crêtes, une asymétrie, une modulation. Durée d'enregistrement d'au moins 4 à 6 tours de l'arbre : à 1500 tr/min cela fait 0,2 s, en pratique on prend 1 à 2 s, et sur un cylindre à 60 tr/min il en faut environ 6 s.
- Phase de 1x. Un écart d'environ 90° entre la direction horizontale et la direction verticale indique un balourd. Un écart proche de 0° ou de 180° signale un autre mécanisme.
- Répétabilité. Faites la mesure deux fois, déplacez le capteur, vérifiez l'aimant et le câble. Un pic haute fréquence qui saute d'une mesure à l'autre s'avère souvent être une résonance de fixation sur la peinture, pas un défaut de la machine.
- Historique. Un spectre montre un état, deux spectres espacés dans le temps montrent une tendance. Une hausse régulière par rapport au niveau de référence compte plus qu'un chiffre absolu.
- Cinématique et inspection. Nombre de pales, de dents, rapports de transmission, courroies. Sans cela, vous ne distinguerez pas la fréquence de passage des pales d'une harmonique de la fréquence de rotation.
- Mêmes réglages pour comparer. Même point, même direction, même Fmax, même nombre de lignes, même fixation. On ne compare pas directement des spectres pris avec des Fmax différents.
Que faire face à un ventilateur qui vibre : la marche à suivre
- 01
Mesurez la vibration globale et 1x sur chaque palier
Capteur sur le palier, en position horizontale-radiale, même direction d'une mesure à l'autre. Comparez la vibration globale à 1x. Si la globale est plusieurs fois supérieure, la vibration principale n'est pas due à un balourd, et l'équilibrage ne l'éliminera pas.
- 02
Relevez le spectre et convertissez les pics en multiples
Divisez la fréquence de chaque ligne notable par la fréquence de rotation. Notez ce qui tombe sur 1x, 2x, 3x, et ce qui n'est pas multiple du régime. Cela prend une minute et réduit tout de suite le champ des causes.
- 03
Contrôlez la mécanique à la main
Serrage des boulons de fondation, pied mou, jeux, ajustements, état du châssis. Un peigne d'harmoniques dans le spectre se confirme presque toujours à la clé, pas par le logiciel. Vous pouvez équilibrer une machine desserrée, 1x baissera même pour un temps, mais le défaut restera et reviendra.
- 04
Écartez la résonance
Faites une montée en régime ou un ralentissement libre en enregistrant l'amplitude et la phase de 1x. Un pic d'amplitude étroit et marqué, associé à un basculement de phase d'environ 180°, signifie que le régime de service se situe près d'une fréquence propre. Le coefficient d'influence — la réponse de la machine à la masse d'essai, sur laquelle repose tout le calcul — sera alors instable, et l'équilibrage ne tiendra pas.
- 05
Équilibrez si 1x domine
Masse d'essai de masse et de rayon connus, variation de l'amplitude de 20 à 30 % ou de la phase de 20 à 30°, calcul de la correction, pose des masses, démarrage de contrôle. Ordre de grandeur typique sur une mécanique saine : un ventilateur à ~12 mm/s redescend à ~1,5 à 2 mm/s. C'est un repère, pas une promesse pour votre machine.
- 06
Jugez le résultat indépendamment du logiciel
La mention « dans la tolérance » signifie une seule chose : le 1x résiduel est inférieur à l'objectif que vous avez vous-même saisi. Évaluez l'état général de la machine sur la vibration globale, en mm/s RMS (valeur efficace), dans la bande 10 à 1000 Hz, par zones A/B/C/D. Le balourd résiduel selon les classes de précision G est une troisième grandeur, distincte. Vérifiez la partie et l'édition applicables de la norme pour votre machine précise.
Les limites de la méthode, et où nous pouvons vous aider
Le spectre de vitesse vibratoire est performant dans la bande d'environ 10 à 1000 Hz. C'est là que se trouvent le balourd, le désalignement, le jeu mécanique, les frottements. Les défauts de roulement à un stade précoce se situent plus haut, dans la zone 2 à 10 kHz, et ne se voient que sur l'accélération et le spectre d'enveloppe. Disons-le franchement : le Balanset-1A mesure la valeur RMS (valeur efficace) de la vitesse vibratoire dans la bande 5 à 200 Hz, affiche la FFT, le signal temporel et le vecteur 1x sur deux voies simultanément. Cela suffit pour décider « équilibrer ou non », comparer deux paliers, trouver une résonance au ralentissement libre et contrôler le résultat. Pour traquer le pitting — les petits écaillages du métal — sur la piste d'un roulement, il faut un analyseur avec une voie haute fréquence.
Il y a aussi ce que des capteurs posés sur le carter ne peuvent tout simplement pas donner. Les machines sur paliers lisses demandent des proximètres et une analyse d'orbites. Le comportement modal — fréquences propres et déformées modales de la structure — demande des mesures de FRF (fonction de réponse en fréquence) et de cohérence. Si le spectre révèle ce genre de situation, la réponse honnête est de confier la tâche à des spécialistes du domaine, pas d'équilibrer.
Les ingénieurs d'AXILINE conçoivent et fabriquent les appareils Balanset, et les utilisent eux-mêmes pour équilibrer sur site. Nous venons sur votre site avec notre appareil, nous posons les capteurs sur vos paliers, nous relevons le spectre et le vecteur 1x, et nous vous disons franchement s'il s'agit d'un balourd ou non. Si c'est un balourd, nous équilibrons le rotor sur place, dans ses propres paliers, sans démontage. Si c'est un desserrage, un désalignement ou un roulement, vous le saurez avant de payer pour un équilibrage qui n'aurait servi à rien.
Vous pouvez aussi acquérir l'appareil. Le kit comprend deux accéléromètres, un capteur laser de phase et de régime, un module USB à deux voies avec préamplificateurs, intégrateurs et CAN, plus un logiciel Windows : équilibrage en un ou deux plans, FFT, diagramme polaire, répartition de la masse sur des positions fixes, calcul de perçage, coefficients d'influence enregistrés, équilibrage trim, calcul de tolérance selon les classes G et archive pour les protocoles. Un accompagnement-conseil est inclus.
Sources : ISO 20816-1:2016 · ISO 21940-11:2016 · ISO 13373-3:2015 · ISO 13373-5:2020 · Manuel d’utilisation Balanset-1A · Spécifications fabricant Balanset-1A
Questions fréquentes
Le spectre montre un 1x élevé. Peut-on équilibrer tout de suite ?
Presque toujours oui, mais faites deux tests rapides. Premier test : comparez la vibration globale à 1x. Si la globale est plusieurs fois supérieure, la contribution principale ne vient pas d'un balourd, et l'équilibrage ne réduira qu'une petite partie de la vibration. Deuxième test : vérifiez la stabilité de la phase de 1x. Si la phase saute de dizaines de degrés d'une mesure à l'autre, vous avez affaire à un desserrage ou à une résonance, et le coefficient d'influence sera peu fiable.
À partir de quelle valeur de 2x faut-il suspecter un désalignement ?
Il n'y a pas de seuil strict, on regarde le rapport. Repère pratique : un 2x supérieur à environ la moitié de 1x mérite déjà attention. 2x seul n'est pas un diagnostic. On le confirme par une vibration axiale en hausse et un écart de phase d'environ 180° de part et d'autre de l'accouplement. On vérifie ensuite l'alignement des arbres mécaniquement, au comparateur ou au laser.
Pourquoi deux pics se sont-ils confondus en un seul, et comment corriger cela ?
La résolution en fréquence est plus grossière que l'écart entre les pics. Travaillez avec la formule Δf = Fmax / N : abaissez Fmax jusqu'à la valeur réellement nécessaire, augmentez le nombre de lignes N, et enregistrez plus longtemps, puisque T = 1 / Δf. Pour Δf = 0,2 Hz, il faut 5 secondes d'enregistrement à régime stable. Si la vitesse dérive pendant ce temps, la résolution fine ne sera pas atteinte, et il faudra recourir à l'analyse d'ordres.
Peut-on poser un diagnostic à partir d'un seul spectre ?
Non. Le spectre donne une hypothèse. La confirmation vient du signal temporel, de la phase, de la répétabilité de la mesure, de la cinématique de la machine, de l'historique de tendance et d'une simple inspection. Le même ensemble de lignes peut avoir des causes différentes : les harmoniques d'un desserrage se confondent facilement avec un roulement, et une résonance amplifie toute ligne proche d'une fréquence propre.
L'équilibrage va-t-il réduire tous les pics du spectre ?
Seulement 1x, et seulement la part que crée le balourd du rotor. Le pic 2x, le peigne d'harmoniques, les raies de roulement, le plancher de bruit et la fréquence de passage des pales restent en place. C'est pourquoi la vibration globale baisse parfois peu, même avec un équilibrage parfaitement réalisé. C'est un résultat normal, pas une erreur de calcul.
Un défaut de roulement se voit-il dans le spectre de vitesse vibratoire ?
À un stade avancé, oui : un groupe de lignes plus haut en fréquence, non multiples du régime, des pics flous et un plancher de bruit relevé. À un stade précoce, non. Les premiers chocs dus à un micro-écaillage se situent dans la zone 2 à 10 kHz, où la vitesse vibratoire les sous-estime. Pour une détection précoce, on relève l'accélération et le spectre d'enveloppe après filtrage passe-bande, et on surveille aussi la température et la tendance.
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Les capteurs de vibration en pratique : types, sensibilité, fixation
Pour l'équilibrage sur site et les rondes, prenez un accéléromètre piézoélectrique : large bande, masse faible, résistance à la chauffe du palier. L'appareil affiche des mm/s non pas parce que le capteur mesure une vitesse, mais parce que le signal d'accélération est intégré dans le module de mesure avant le CAN. La sensibilité se saisit une fois dans le logiciel, au changement de capteur : une erreur sur cette valeur laisse l'allure correcte mais fausse tous les chiffres absolus. La limite haute de la bande fiable est fixée par le mode de fixation : goujon environ 10 kHz, aimant environ 1,5–2 kHz, sonde tenue à la main 300–500 Hz.
Diagnostic vibratoire des roulements : signes, stades et que faire
Un défaut de roulement produit des chocs, pas une sinusoïde régulière. Cherchez-le dans l'accélération vibratoire et le spectre d'enveloppe, dans une bande d'environ 2–10 kHz, dans le facteur de crête du signal temporel (le rapport de la valeur de crête à la valeur efficace), et dans les fréquences calculées BPFO, BPFI, BSF et FTF, avec leurs harmoniques et bandes latérales. Le spectre de vitesse vibratoire dans la bande 10–1000 Hz ne révèle le défaut que tardivement, généralement au troisième stade sur quatre. L'équilibrage ne soigne pas un roulement : il réduit la force à la fréquence de rotation 1x (une fois par tour d'arbre), alors qu'un défaut de piste de roulement agit à ses propres fréquences, non multiples de la vitesse de rotation.
Équilibrage de décanteuses centrifuges : ce qu'il est réellement possible de faire sur le site d'exploitation
Réponse honnête : pas toujours. Nous équilibrons le bol de la décanteuse sur site si le fabricant autorise la pose de masses, si des positions d'équilibrage d'origine existent sur les moyeux d'extrémité, et si la mesure confirme que c'est bien la composante 1x du bol qui domine, c'est-à-dire la vibration à sa fréquence de rotation. La vis, elle, ne s'équilibre sur site en aucun cas : ses plans de correction — les emplacements où poser les masses d'équilibrage — sont cachés à l'intérieur du bol, et y accéder signifie un démontage complet du rotor. C'est pourquoi une partie des interventions sur décanteuses se termine non pas par des masses, mais par une mesure avec séparation des causes : boues, usure des spires, roulements, réducteur ou balourd. Vous repartez avec un rapport chiffré, avec lequel la discussion avec le service après-vente devient concrète. Nous comprenons généralement votre cas avant même le déplacement, à partir du modèle, des photos et des tendances de vibration.
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