AXILINERésonance d'un équipement : signes, vérification et solutions
Un ventilateur s'est mis à vibrer après un nettoyage, le vibromètre affiche 10 mm/s. Vous équilibrez la roue, la vibration baisse, puis revient deux semaines plus tard. Dans ce genre de situation, le coupable n'est souvent pas le rotor, mais une résonance des appuis et du châssis. Voyons comment la reconnaître en un seul ralentissement libre — l'arrêt spontané de la machine après coupure de l'alimentation — et que faire ensuite.
Qu'est-ce que la résonance, et pourquoi elle gonfle la vibration
Toute structure a une fréquence propre. Pour un système simple, on l'estime par fₙ = (1/2π)·√(k/m), où k est la rigidité et m la masse. La logique est simple. Soudez une entretoise sur le châssis, la rigidité augmente et la fréquence propre monte. Suspendez un carter lourd sur un appui, la fréquence descend.
La résonance apparaît quand la fréquence excitatrice coïncide avec fₙ. Sur une machine tournante, la source d'excitation est en général le balourd résiduel à la fréquence de rotation (1x). La force reste la même, mais la réponse est multipliée par Q — le facteur par lequel la résonance amplifie les oscillations. Le facteur de qualité se calcule par Q = 1/(2ζ). Pour un châssis en acier soudé, l'amortissement relatif ζ vaut environ 0,05, donc Q avoisine 10. Le même balourd, que personne n'aurait remarqué à un autre régime, produit une vibration dix fois plus forte.
D'où une conclusion pratique. Une vibration élevée sur 1x ne prouve pas un balourd. Elle prouve qu'il existe, à la fréquence de rotation, une force et une réponse. La résonance gonfle la seconde, pas la première.
Distinguez deux phénomènes différents. La résonance structurelle est la fréquence propre des parties fixes : palier, châssis, fondation, passerelle, tuyauterie. La vitesse critique est la résonance de l'arbre lui-même. Un rotor rigide fonctionne en dessous de la première vitesse critique, un rotor flexible la franchit. Pour un ventilateur, une pompe, une vis sans fin ou un broyeur en usine, vous avez presque toujours affaire à une résonance structurelle.
Aucun appareil n'affiche le mot « résonance » sur une ligne à part. La résonance est votre propre conclusion, tirée du comportement de l'amplitude et de la phase quand le régime change.
Cinq signes qui trahissent une résonance
Pic étroit selon le régime
La vibration ne monte pas progressivement, mais bondit sur une plage de régime étroite. Écartez-vous de 10 à 15 % en régime, et l'amplitude chute fortement. Tableau typique : à 1180 tr/min, le ventilateur donne 11 mm/s ; à 1000 tr/min, 2 mm/s.
La vibration retombe après le pic
Vous accélérez encore, et la machine se calme. Le balourd ne se comporte pas ainsi. Son amplitude croît à peu près comme le carré du régime, et ne redescend pas. Une chute après le pic est un argument fort en faveur de la résonance.
La phase de 1x fait un quasi-demi-tour, 180°
La phase est l'angle qui indique à quel instant du tour la vibration atteint son maximum. En dessous de la fréquence propre, le rotor et l'appui se déplacent en phase. Au-dessus, en opposition de phase. Exactement à fₙ, la phase passe par 90°. Tout ce basculement tient sur une plage de régime étroite. C'est le signe le plus fiable, celui qui distingue une résonance d'un balourd, dont la phase reste stable.
L'appui vit sa propre vie
En résonance, c'est la structure qui oscille, pas seulement l'arbre. Le châssis, la patte du moteur, une passerelle ou une tuyauterie voisine vibrent de façon visible. Il arrive aussi que les paliers soient dans la norme, alors que c'est une gaine d'air ou une tuyauterie qui gronde.
Une seule direction ressort nettement
Le châssis a une fréquence propre différente à l'horizontale, à la verticale et dans l'axe. La résonance ressort en général dans une seule direction. Vous observez par exemple 8 mm/s en horizontal-radial et 1,5 mm/s en vertical. Le balourd ne se répartit pas de façon aussi tranchée : l'horizontale et la verticale y diffèrent en général de moins du double.
D'où vient la résonance
La résonance n'apparaît pas d'elle-même. Elle apparaît quand quelqu'un a changé la rigidité ou la masse du système. Voici les coupables habituels.
- Fixations desserrées. Des boulons de fondation mal serrés réduisent la rigidité de l'appui, la fréquence propre descend et entre dans la plage de service.
- « Patte molle » (soft foot). Une patte ne touche pas l'assise, ou repose sur une cale de travers. L'appui fonctionne alors comme un ressort.
- Châssis souple ou modifié. Châssis soudé sans entretoise, renfort découpé, machine déplacée sur une nouvelle assise, cales sous les pattes.
- Fissures et corrosion. Un cordon de soudure fissuré, du béton dégradé sous un ancrage, une pièce noyée rouillée. La rigidité baisse, la géométrie ne change pas en apparence.
- Changement de masse. Nouvelle roue à la place de l'ancienne, autre poulie, carter, tuyauterie ajoutée.
- Changement de régime. Un variateur de fréquence et une nouvelle consigne sont une cause fréquente. La machine a tourné des années à 1450 tr/min, et à 1180, elle est tombée dans la résonance du châssis.
- Le palier lui-même. Logements dégradés, ajustement du corps de roulement desserré.
- Isolateurs antivibratoires en caoutchouc affaissés. Ils ont changé de rigidité, et le désaccord calculé à l'origine a disparu.
Si la vibration a augmenté juste après une réparation, un nettoyage, un remplacement de roue ou un déplacement de machine, vérifiez la résonance en premier lieu. Vous avez changé la masse ou la rigidité, et le système s'est déplacé vers un autre point.
Comment vérifier : régime, ralentissement libre, test au choc
- 01
Relevez les chiffres de base
Au régime de service, mesurez la vibration globale (le niveau général sur toutes les fréquences) et 1x sur chaque palier, dans trois directions. Notez la phase de 1x. Fixez le capteur rigidement sur le corps du palier, au magnet sur une surface propre et plane. Gardez une direction identique d'une mesure à l'autre. L'état général de la machine s'évalue sur la vibration globale, en mm/s RMS (valeur efficace) dans la bande 10 à 1000 Hz, selon les zones A/B/C/D — de A « bon » à D « inadmissible ». Les limites des zones dépendent du groupe de machine, de la partie applicable et de l'édition de l'ISO 20816 : vérifiez-les séparément, en particulier pour les petits ventilateurs et les groupes à transmission par courroie.
- 02
Parcourez le régime en montant
S'il y a un variateur de fréquence, montez la fréquence par paliers de 5 % et notez, à chaque palier, l'amplitude et la phase de 1x. Vous ne cherchez pas le maximum, mais la forme de la courbe : où elle bondit et où la phase commence à dériver. Maintenez chaque point jusqu'à des lectures stabilisées.
- 03
Enregistrez le ralentissement libre
Sans variateur, le ralentissement libre fonctionne. Coupez l'alimentation et enregistrez la vibration jusqu'à l'arrêt du rotor. La machine parcourt elle-même tous les régimes de haut en bas, et la résonance se manifeste par une bosse sur l'enregistrement. Sur le Balanset-1A, activez le mode « Diagrammes », choisissez la vibration globale et une durée d'enregistrement jusqu'à 20 secondes sur les deux voies simultanément. Sur un grand ventilateur, le ralentissement dure des minutes, donc 20 secondes ne donnent qu'une image approximative : faites plusieurs enregistrements successifs, et prenez la valeur précise de la fréquence dans le test au choc.
- 04
Frappez la machine à l'arrêt
Le test au choc répond directement à la question. Arrêtez et consignez la machine, laissez le capteur au même endroit, frappez avec un maillet souple sur l'appui ou le châssis près du capteur, et regardez le spectre de la réponse. La structure résonne sur ses propres fréquences, que vous lisez dans le spectre. Conditions : machine à l'arrêt, choc unique sans « double choc », embout souple, moyennage désactivé. Le moyennage étale l'impulsion unique en bruit.
- 05
Calculez la marge
Convertissez le régime en hertz en divisant par 60. À 1450 tr/min, cela donne 24,2 Hz. Repère de travail pour le désaccord — l'écart entre la fréquence excitatrice et la fréquence propre : |f_excit − fₙ| / fₙ supérieur à 15–20 %. Autrement dit, une fréquence propre en dessous de 20 Hz ou au-dessus de 29 Hz vous convient, alors qu'une valeur entre 22 et 26 Hz signale un problème. Vérifiez aussi la fréquence de passage des pales — le régime multiplié par le nombre de pales : pour une roue à six pales à 1450 tr/min, cela donne 145 Hz, avec ses propres coïncidences possibles avec les fréquences propres du carter et de la gaine.
Un test au choc sur une machine en marche ne donne pas de réponse. La réponse au choc se mélange à la vibration de service, et vous ne pourrez pas isoler la fréquence propre.
Résonance, balourd ou desserrage : comment les distinguer
| Signe | Balourd | Résonance | Desserrage / désalignement |
|---|---|---|---|
| Spectre | 1x pur dominant | 1x dominant, souvent dans une seule direction | 1x, 2x et harmoniques, plancher de bruit relevé |
| Phase de 1x | Stable, se reproduit d'un démarrage à l'autre | Fait un quasi-demi-tour, environ 180°, au passage du régime | Saute, ne se reproduit pas |
| Variation du régime | L'amplitude croît à peu près comme le carré du régime | Pic étroit, suivi d'une chute | Réaction irrégulière |
| Direction | Horizontale et verticale proches | Une seule direction nettement dominante | Le désalignement montre une composante axiale marquée |
| Test au choc | Aucune fréquence propre proche de 1x | Le pic de fréquence propre coïncide avec la fréquence de rotation | Réponse non reproductible d'un choc à l'autre |
| Ce qui aide | Équilibrage | Désaccord : rigidité, masse ou régime | Serrage des fixations, alignement des arbres, réparation de l'organe |
Un balourd et un désalignement donnent souvent le même 1x élevé. Sans la phase, vous ne les distinguerez pas, mesurez donc la phase sur les deux paliers, et pas seulement l'amplitude.
Pourquoi on ne peut pas équilibrer en résonance
L'équilibrage fonctionne grâce au coefficient d'influence. L'appareil mesure la vibration initiale, vous posez une masse d'essai de masse connue à un rayon connu, l'appareil mesure à nouveau. La différence montre comment le système réagit à la masse ajoutée. Le logiciel calcule ensuite la masse et l'angle de correction.
Toute cette arithmétique repose sur une seule hypothèse : le système est linéaire et stable. La réponse est proportionnelle à la force, et le coefficient d'influence ne change pas d'un démarrage à l'autre. En résonance, cette hypothèse s'effondre. Voici ce que vous obtiendrez dans la pratique.
- Le coefficient d'influence devient énorme, car une petite masse d'essai donne un grand changement de vibration. Le logiciel calculera une correction minuscule, qui ne fonctionnera pas.
- La phase, en résonance, varie brutalement avec le régime. Le régime fluctue de 1 %, et la phase part de plusieurs dizaines de degrés. La masse se pose au mauvais endroit.
- Un démarrage de contrôle avec la même masse donne d'autres chiffres. Vous refaites sans cesse un équilibrage trim et n'atteignez jamais la tolérance.
- Il arrive parfois que vous entriez quand même dans la norme. Mais l'équilibrage ne supprime que la force d'excitation, et Q n'a pas disparu pour autant. Une légère usure, un dépôt de poussière sur les pales ou un déplacement de la masse, et la vibration revient une semaine plus tard.
Le signe que vous combattez une résonance, et non un balourd : l'équilibrage « réussit » à chaque fois, mais ne tient pas. Si le rotor doit être réajusté chaque mois, le problème n'est pas dans le rotor.
Que faire : désaccorder par la rigidité, la masse et le régime
On élimine une résonance par trois moyens : changer la rigidité, changer la masse ou changer le régime. Une quatrième option, l'amortissement, c'est-à-dire l'absorption de l'énergie des oscillations, ne déplace pas la fréquence, mais réduit la hauteur du pic.
Le rapport fₙ_nouveau = fₙ·√((k_nouveau/k_ancien)·(m_ancien/m_nouveau)) aide à estimer le déplacement. La rigidité et la masse entrent sous la racine. Pour relever la fréquence propre de 20 %, il faut augmenter la rigidité d'environ 1,44 fois. Une simple cornière décorative n'y suffira pas.
D'abord le gratuit : les fixations
Serrez les boulons de fondation au couple prescrit. Vérifiez la « patte molle » au comparateur : desserrez le boulon d'une patte et observez le soulèvement. Un soulèvement supérieur à 0,05 mm se corrige avec des cales calibrées. Il arrive qu'ensuite la fréquence propre remonte d'elle-même, et que la discussion sur la refonte du châssis s'arrête là.
Rigidité de l'assise
Entretoises dans le châssis, goussets aux jonctions, remplissage béton du châssis, augmentation de la surface d'appui, ancrage sur une dalle. La méthode fonctionne de façon fiable, car elle relève fₙ. Confiez le calcul à un bureau d'études. Au jugé, vous risquez de déplacer la fréquence droit dans celle de passage des pales.
Masse
Une masse ajoutée abaisse la fréquence propre. Cela aide quand fₙ est au-dessus du régime de service et que vous voulez la faire descendre en dessous. La masse demande elle aussi un calcul : un ajout mal choisi déplace la résonance droit dans la plage de service.
Régime
La solution la moins chère, en présence d'un variateur. Éloignez-vous de la zone de résonance de 15 à 20 % en fréquence. Sur un ventilateur, cela change le débit, calculez donc avec les responsables du procédé. Il est parfois plus simple de changer la poulie et le rapport de transmission.
Amortissement et isolation vibratoire
Cales d'amortissement, isolateurs antivibratoires, couches viscoélastiques : ils rabotent la hauteur du pic quand on ne peut pas s'éloigner de la résonance. On les choisit selon la masse, la répartition de la charge et le régime de service. Des isolateurs mal choisis deviennent eux-mêmes source de problème : la machine se pose sur une nouvelle fréquence propre, plus basse, et traverse la résonance à chaque démarrage.
Quand ce n'est pas la machine qui est en cause
Si c'est une tuyauterie, une passerelle ou une gaine qui gronde, alors que la vibration sur les paliers reste normale, travaillez sur la structure. Un support de tuyau supplémentaire ou un collier déplacé règlent souvent la question en une heure.
Là où la méthode ne fonctionne pas. Une résonance de rotor flexible à la vitesse critique ne se corrige pas en désaccordant les appuis. Il faut alors un calcul de dynamique des rotors et, éventuellement, un équilibrage du rotor flexible à plusieurs vitesses. Si votre machine fonctionne au-dessus de la première vitesse critique, c'est un cas à part, et nous vous dirons franchement quand cela dépasse le cadre d'une intervention sur site.
Par où commencer sur votre site
Le Balanset-1A donne tout ce qu'il faut pour cette vérification. Le kit comprend deux accéléromètres pour les paliers, un capteur de phase laser sur le repère réfléchissant de l'arbre, un module USB à deux voies et un logiciel pour Windows. L'appareil affiche le régime, la vibration globale et 1x avec amplitude et phase, construit le spectre FFT, enregistre le signal temporel sur les deux voies simultanément et conserve les mesures et les spectres dans une archive. À partir de cette archive, vous constituez le protocole. Le même appareil calcule la masse d'essai, la correction, la tolérance selon les classes de précision d'équilibrage G, et répartit la masse sur des positions fixes, quand on en arrive finalement à l'équilibrage.
AXILINE intervient sur site au Portugal. Nous mesurons la vibration, séparons la résonance du balourd et du désalignement, équilibrons le rotor dans ses propres paliers quand l'équilibrage résout réellement le problème, et disons franchement quand il faut travailler sur le châssis ou la fondation. Les appareils Balanset sont conçus, fabriqués et utilisés sur site par les mêmes ingénieurs qui conseillent sur leur usage.
Écrivez-nous quel type de machine, quel régime et quels chiffres vous observez sur les paliers. Nous vous dirons si cela ressemble à une résonance ou non, et ce qu'il faut vérifier en premier. Si vous voulez travailler par vos propres moyens, nous vous fournirons l'appareil et vous aiderons à le prendre en main.
- Comparez la vibration globale et 1x sur chaque palier. Si la globale est plusieurs fois supérieure à 1x, le balourd n'est pas la cause principale.
- Mesurez dans trois directions et comparez les chiffres. La résonance fait ressortir une seule direction.
- Déterminez ce qui a changé avant l'apparition de la vibration : réparation, nouvelle roue, nouvelle consigne de variateur, déplacement du groupe.
- Serrez les fixations et vérifiez la « patte molle » avant tout diagnostic.
- Enregistrez le ralentissement libre, ou parcourez le régime par paliers en notant l'amplitude et la phase de 1x.
- Confirmez la fréquence propre par un test au choc sur la machine arrêtée et consignée.
- Calculez la marge de désaccord. Repère : plus de 15 à 20 % de fₙ.
- N'équilibrez qu'après vous être assuré que le régime de service est hors de la zone de résonance.
Sources : ISO 20816-1:2016 · ISO 13373-3:2015 · ISO 13373-5:2020 · ISO 21940-11:2016 · ISO 21940-12:2016 · Manuel d’utilisation Balanset-1A · Spécifications fabricant Balanset-1A
Questions fréquentes
Comment distinguer une résonance d'un balourd avec un simple vibromètre sans mesure de phase ?
Regardez la forme de la courbe d'amplitude quand le régime change. Le balourd croît progressivement, à peu près comme le carré du régime, et ne redescend pas. La résonance donne un pic étroit, suivi d'une baisse de la vibration. Mesurez en plus dans trois directions : un net écart entre l'horizontale et la verticale indique une résonance de structure. Sans la phase, la conclusion est moins fiable, confirmez-la donc par un test au choc sur la machine arrêtée.
Peut-on faire un test au choc sans arrêter la machine ?
Non. La réponse au choc se mélangerait à la vibration de service, et vous ne pourrez pas isoler la fréquence propre de ce que produit la machine elle-même. Arrêtez et consignez le groupe. Laissez le capteur là où vous mesuriez, frappez avec un maillet souple à côté, un choc unique, moyennage désactivé. Une fixation magnétique du capteur convient pour ce test : sa propre résonance se situe autour de 1,5–2 kHz, alors que vous travaillez à quelques dizaines de hertz.
J'ai 1450 tr/min. Quelle fréquence est considérée comme dangereuse ?
1450 tr/min, cela fait 24,2 Hz. La zone dangereuse se situe environ entre 20 et 29 Hz, soit ±15 à 20 % du régime de service. Si le test au choc montre une fréquence propre du châssis ou de l'appui dans cette plage, vous êtes en résonance ou à sa lisière. Vérifiez aussi la fréquence de passage des pales : pour une roue à six pales, elle vaut 145 Hz, et peut coïncider avec la fréquence propre du carter ou de la gaine.
L'équilibrage a réduit la vibration, mais elle est revenue un mois plus tard. Est-ce une résonance ?
C'est le premier suspect. En résonance, le système amplifie toute force résiduelle, donc une légère usure, un dépôt de poussière sur les pales ou un déplacement de masse fait vite revenir la vibration. Vérifiez par ralentissement libre et test au choc. Le second suspect est un desserrage des fixations : il donne lui aussi un résultat qui ne tient pas, mais le spectre montrera alors un 2x, des harmoniques et un plancher de bruit relevé.
Les isolateurs antivibratoires en caoutchouc aident-ils ?
Parfois oui, parfois ils aggravent la situation. Un isolateur réduit la transmission de vibration vers l'assise quand le régime de service est nettement supérieur à la fréquence propre de l'isolateur. Mal choisi, il fait se poser la machine sur une nouvelle fréquence propre, plus basse, et elle traverse alors la résonance à chaque démarrage. Choisissez les isolateurs selon la masse du groupe, la répartition de la charge par patte et le régime de service, pas au jugé sur catalogue.
Faut-il agir si la vibration est encore dans la tolérance, mais que la fréquence propre est proche ?
Évaluez la marge. Fonctionner au bord de la zone de résonance signifie que le moindre changement vous fera basculer dans le pic : usure du rotor, dépôt de produit, remplacement d'un roulement, nouvelle consigne au variateur. Il est utile de mesurer à l'avance les fréquences propres de vos machines et de les conserver avec les niveaux de vibration de référence. Vous verrez alors immédiatement la cause à la prochaine hausse de vibration.
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Oui, nous équilibrons les rotors des équipements de production sur site. Trois conditions sont nécessaires : le rotor démarre à son régime de travail et le maintient de façon stable, un accès aux paliers pour les capteurs et au plan de correction pour les masses existe, et l'essentiel de la vibration vient de la composante 1x — la vibration à la fréquence de rotation du rotor, que crée justement le balourd. Si la 1x est faible alors que la machine vibre fort, la cause est à chercher du côté de la fixation, du désalignement, des roulements ou de la résonance. Nous le disons avant de commencer le travail. Dans l'agroalimentaire, la pharmacie et la chimie, nous travaillons sans travaux à chaud : masses sur boulons et goujons en acier inoxydable, ou enlèvement de matière par perçage aux emplacements autorisés.
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Nous répondrons à vos questions, préciserons les données nécessaires et vous indiquerons ce qu'il faut prévoir pour établir un devis et organiser le déplacement.