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RÉSUMÉ
Toute fluctuation de charge, de débit, de vitesse, toute irrégularité de mouvement des pièces d'une installation peut constituer une source d'excitation vibratoire de la structure. Ces perturbations sont susceptibles d'avoir des conséquences plus ou moins importantes sur la sûreté de fonctionnement du bâti, sa tranquillité de marche, sa durée de vie. Dans le cas de constructions industrielles, cela peut également troubler la régularité de la production ainsi que la santé des opérateurs concernés. Pour maîtriser réellement ces vibrations, qu'elles interviennent depuis la phase de projet jusqu'à l'exploitation de la structure, il est nécessaire de connaître les paramètres à prendre en compte ainsi que les modèles de représentation. Ainsi, il est possible d'effectuer des actions correctives soit pour supprimer des vibrations non souhaitées, soit pour remédier à la dégradation de la structure. Cet article présente les techniques à appliquer, ainsi que des cas pratiques pour comprendre les méthodes en situation réelle.
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Bernard GARNIER : Ingénieur civil de l'École nationale des ponts et chaussées - Consultant, BlueSolutions
INTRODUCTION
Le présent article présente des stratégies de maîtrise des vibrations, à différentes étapes du développement et de la vie d'une installation ou d'un produit industriel. Cinq qualités, techniques et humaines, peuvent être affectées en cas de problème de vibrations dans un contexte industriel ; ce sont :
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la sûreté ou au moins la sécurité de fonctionnement ;
-
la tranquillité de marche ;
-
la régularité de la production ;
-
la durée de vie de la structure et de ses composants ;
-
l'endurance et la santé des opérateurs au poste de travail.
Ces qualités, qui doivent pouvoir être quantifiées, sont à prendre en compte dès le projet, lors de la mise au point et durant l'exploitation de la structure, jusqu'à sa révision ou sa mise en réforme. Du bilan complet de fonctionnement d'une structure, il est possible d'estimer la part technique et le coût correspondant imputable aux effets vibratoires indésirables.
Des exemples d'interventions concrètes pour maîtriser les vibrations sont présentés aux paragraphes 3 à 5. Ils pourraient être beaucoup plus nombreux, car les vibrations sont omniprésentes. En effet, toute fluctuation de charge, de débit, de vitesse, toute irrégularité de mouvement des pièces d'une installation constituent une source d'excitation vibratoire des structures avoisinantes, d'autant plus riche et intense que cette fluctuation est rapide. Des chocs brefs peuvent, eux, exciter toutes les fréquences propres d'une structure.
Les réponses structurales, utiles à connaître, dépendent de la situation des fréquences propres dans le spectre, mais :
-
d'une part, les paramètres descriptifs d'une structure ne sont pas toujours faciles à dénombrer : évalués par excès, ils font état de modes physiquement inexistants ; évalués par défaut, ils omettent l'existence de modes moins manifestes relatifs à des paramètres cachés ;
-
d'autre part, le modèle représentatif, faisant presque toujours l'hypothèse d'une structure linéaire, reste d'une fidélité incertaine, à déterminer, cas par cas, dans le cas de non-linéarités, faibles ou fortes, mais souvent présentes.
De telles difficultés rencontrées en pratique sont décrites ici, ainsi que les solutions mises en œuvre.
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Diffusion des techniques d’analyse
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1. Actions correctives
On imagine qu'à ce stade, les mesures et leur interprétation ont permis d'identifier les mécanismes vibratoires à l'origine de la gêne. Suivant le cas, cette constatation est faite lors des premiers essais d'un prototype ou sur une installation déjà ancienne présentant des problèmes de vieillissement.
Lorsque ces vibrations sont inacceptables à court ou à long terme, quelle qu'en soit la raison (risques d'endommagements irréversibles, non-conformité des produits), l'ingénieur doit imaginer des remèdes durables, sans pour autant remettre en cause le produit ou l'installation. Ce paragraphe illustre les solutions ou, à défaut, les palliatifs les plus efficacement employés dans divers domaines de l'industrie.
Cela implique successivement deux démarches :
1. remonter aux causes situées le plus en amont ; une analyse plus ou moins complexe fera découvrir les sources (par exemple, le balourd d'une machine tournante) ;
2. agir surtout sur les causes premières ainsi détectées (dans cet exemple, procéder à l'équilibrage dynamique de la machine).
Les vibrations et bruits dus au roulage et perçus à l'intérieur d'un véhicule routier sont fonction de la transmissibilité de la suspension et de la qualité de l'interface pneumatiques/route. Aussi, les constructeurs et équipementiers étudient le spectre de fréquence lié à la vitesse de roulage, à la sculpture des pneumatiques et à la rugosité de la route.
La démarche 1 ayant abouti à localiser la source à l'interface, la démarche 2 revient à étudier le mouvement relatif pneumatiques/route, compte tenu de la réaction du véhicule et en fonction des principaux paramètres (vitesse, trajectoire, pression de gonflage, rôle de la sculpture des pneumatiques) influant sur la génération des vibrations et bruits, sur l'adhérence et la tenue de route.
Une solution d'amélioration apportée à un état vibratoire donné doit être particularisée au cas traité. Les exemples ci-après nous invitent à distinguer sept actions distinctes, sans que ce chiffre constitue une limite ! D'autres exemples nous amèneraient peut-être à compléter la liste suivante, qui a déjà une grande généralité :
-
réduire une puissance ;
-
déplacer une fréquence d'excitation ;
-
écarter...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BOISSEAU (J.F.) - Amortisseur de vibrations réglable - Rech. Aérosp. n° 2 (mars-avril 1970).
-
(2) - DUPERRAY (B.) - Contrôles passifs et actifs de la vibration des structures mécaniques - Entretiens Science et Défense 90, tome I, p. 422, DGA, Dunod (1990).
-
(3) - MARCELIN (J.) - Optimisation des vibrations des structures mécaniques - Cépadues (2003).
-
(4) - MALBURET (F.), KRYSINSKI (T.) - Contrôle des vibrations mécaniques - Hermès Lavoisier (2003).
-
(5) - MOREL (J.) - Vibrations des machines et diagnostic de leur état mécanique - Eyrolles (1991).
-
(6) - VENIZELOS (G.) - Vibrations des structures - Ellipses (2002).
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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Isolation antivibratoire et antichoc – Définitions. Principes physiques
-
Vibrations des structures industrielles – Notions de physique des vibrations
-
Vibrations des structures industrielles – Outils de modélisation, de prédiction et d'interprétation
-
Vibrations des structures industrielles – Outils et méthodes d'analyse expérimentale
ANNEXES
Publications de l'ONERA (Office national d'études et de recherche aérospatiales) sur le site de l'ONERA http://www.onera.fr/synindex/controle-des-vibrations.html
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