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.
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Étude de cas 3 : amélioration d’un découplage antivibratile
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4. Étude de cas 2 : remède à la dégradation structurale causée par les vibrations d’une installation industrielle
Après quelques années d’exploitation, la plupart des six unités d’aéroréfrigérants d’une importante unité industrielle (figure 8) présentaient des états de fissuration jugés alarmants par l’exploitant et nécessitaient, par ailleurs, des coûts d’entretien anormalement élevés pour parvenir tant bien que mal à satisfaire aux exigences de fiabilité et de disponibilité requises par les unités de transformation chimique qui en dépendaient. Nous avons donc été appelés à procéder à une expertise approfondie.
Des mesures en fonctionnement ont d’abord permis de mettre en évidence un groupe de raies fréquentielles fortement émergentes entre 23 et 26 Hz, ainsi qu’entre 5 et 8 Hz (figure 9). L’analyse de la cinématique du système moteur-réducteur-ventilateur met en relation ces vibrations avec les excitations provoquées par, d’une part, le fondamental de rotation h1 du moteur et l’harmonique H12 du ventilateur, de fréquence très voisine, d’autre part les harmoniques H3 et H4 du ventilateur. S’agissant d’un ventilateur à 3 pales tournant devant quatre obstacles fixes (les deux poutres en croix qui tiennent son axe) (figure 8), l’émergence de ces raies H3, H4 et H12 n’avait rien de surprenant. Mais cela n’expliquait pas leur niveau si élevé pour du matériel de cette qualité mécanique et aérodynamique.
Nous avons alors procédé à une analyse vibratoire synchrone, c’est-à-dire que les mesures en divers points sont référencées en phase (par l’emploi d’un tachymètre) à la position angulaire des mobiles correspondants. Il est ainsi possible de tracer les mouvements et les déformations de la structure spécifiquement provoqués par ces raies harmoniques, et même de les animer sur l’écran de l’analyseur.
Ce procédé a permis de mettre en évidence en particulier, dans le plan horizontal, une flexion importante des poutres en croix, associée à une rotation du nœud central tout à fait synchronisée à la raie H12 du ventilateur à 23,5 Hz (figure 10), ainsi que diverses déformations de la cheminée de l’aéroréfrigérant et de la dalle supérieure.
Pour expliquer ce fort couplage,...
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Étude de cas 2 : remède à la dégradation structurale causée par les vibrations d’une installation industrielle
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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