Bibliographie & annexes
Présentation
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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 ;
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la tranquillité de marche ;
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la régularité de la production ;
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la durée de vie de la structure et de ses composants ;
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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 :
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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 ;
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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.
Le présent texte fait suite aux articles :
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Étude de cas 2 : remède à la dégradation structurale causée par les vibrations d’une installation industrielle
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3. Étude de cas 1 : suppression des vibrations indésirables lors de la mise au point d’une machine de série
Ce premier exemple illustre une démarche typique pour faire face à l’apparition tardive de problèmes de nature vibratoire dans le processus de développement d’un produit.
Il s’agissait d’outillages pneumatiques de type ponceuse orbitale, destinés à des usages professionnels, mais produits malgré tout en assez grande série.
Alors que les prototypes avaient présenté un comportement vibratoire tout à fait normal pour ce type de matériel, il est apparu rapidement, lors de la production de série, que plus de la moitié de l’outillage produit s’avérait inutilisable en raison de vibrations excessives et devait être rebuté. C’est alors que nous avons été appelés à intervenir, avec le degré d’urgence que l’on imagine.
Le premier test a été de contrôler la qualité de l’équilibrage de la partie tournante. Il est apparu qu’un gain significatif pouvait être obtenu en remplaçant l’équilibrage statique antérieur par un équilibrage dynamique en deux plans (figure 7). Toutefois, les vibrations restaient élevées et nombre de machines dépassaient encore la norme actuellement fixée à 3 g.
C’est pourquoi nous avons décidé de rechercher si des phénomènes de résonance mécanique n’étaient pas impliqués. Une analyse modale sommaire, à partir d’excitations par chocs, a été conduite dans la bande 0 à 500 Hz. Il est apparu que le plateau de la ponceuse présentait un mode dit de basculement à 112 Hz, qui semblait effectivement se coupler malencontreusement à un harmonique de la fréquence de rotation (le mouvement cinématique orbital induit en effet des raies harmoniques nombreuses et intenses). Toutefois, cette seule observation, si elle expliquait le caractère élevé des niveaux vibratoires, n’expliquait pas pourquoi telle ponceuse était bonne et telle autre inutilisable.
Un examen plus attentif de ces essais modaux a révélé des comportements largement non linéaires et peu répétitifs de ces machines. À partir de cette observation, on a pu mettre en évidence un jeu important entre l’axe de la turbine (l’élément moteur) et le corps de la machine, qui ne se révèle que lorsque la mécanique est chaude, après un certain temps de fonctionnement.
Une nouvelle analyse en fonctionnement a permis de confirmer le rôle...
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Étude de cas 1 : suppression des vibrations indésirables lors de la mise au point d’une machine de série
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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