ISO 20283-4:2012
(Main)Mechanical vibration — Measurement of vibration on ships — Part 4: Measurement and evaluation of vibration of the ship propulsion machinery
Mechanical vibration — Measurement of vibration on ships — Part 4: Measurement and evaluation of vibration of the ship propulsion machinery
Vibrations mécaniques — Mesurage des vibrations à bord des navires — Partie 4: Mesurage et évaluation des vibrations des machines de propulsion des navires
L'ISO 20283-4:2012 donne des lignes directrices pour les modes opératoires d'instrumentation, de mesurage et de traitement des données nécessaires à l'obtention de données de vibrations fiables sur les systèmes de propulsion des navires. Elle donne également des lignes directrices pour l'application de techniques de mesurage spécifiques, qui sont usuelles et adéquates pour mesurer les vibrations mécaniques sur les systèmes de propulsion des navires de haute mer et fluviaux. Il est possible d'appliquer les techniques de mesurage à un moteur diesel et à des systèmes de propulsion à turbine ou électriques en prenant toujours en considération les limites d'application spécifiques de chaque mode opératoire décrit individuellement. Les modes opératoires spécifiés dans la présente partie de l'ISO 20283-4:2012 se concentrent sur les vibrations mécaniques répétitives (régime établi ou quasi-établi, comme un balayage) et peuvent par conséquent ne pas être adaptés au mesurage et à l'évaluation de signaux transitoires, de signaux variant très rapidement et de signaux de chocs. L'ISO 20283-4:2012 spécifie essentiellement des techniques pour mesurer les vibrations mécaniques du système de propulsion principal au cours des essais en mer. Des principes de mesurage identiques ou similaires peuvent également être utilisés à d'autres fins, telles la surveillance des performances, l'étude de vibrations anormales en service et l'évaluation de l'état des éléments réparés. Cependant, dans de tels cas, il est nécessaire d'adapter le mode opératoire de mesurage aux besoins spécifiques.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 20283-4
First edition
2012-04-15
Mechanical vibration — Measurement of
vibration on ships —
Part 4:
Measurement and evaluation of vibration
of the ship propulsion machinery
Vibrations mécaniques — Mesurage des vibrations à bord des navires —
Partie 4: Mesurage et évaluation des vibrations des machines de
propulsion des navires
Reference number
ISO 20283-4:2012(E)
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ISO 2012
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ISO 20283-4:2012(E)
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member body in the country of the requester.
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Published in Switzerland
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ISO 20283-4:2012(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Vibration tests . 3
4.1 Instrumentation . 3
4.2 Test conditions . 3
4.3 Test procedure . 4
4.4 Data processing . 5
4.5 Measurements . 5
5 Evaluation criteria .14
6 Test report .15
Annex A (informative) Manoeuvring, transient measurements .16
Annex B (informative) Evaluation of vibration at mechanical azimuth drives (e.g. Schottel rudder
propellers) and shaft lines by measurements on non-rotating parts .17
Annex C (informative) Evaluation of the vibration of a Voith−Schneider propeller by measurements on
non-rotating parts.18
Bibliography .20
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ISO 20283-4:2012(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the International
Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 20283-4 was prepared by Technical Committee ISO/TC 108, Mechanical vibration, shock and condition
monitoring, Subcommittee SC 2, Measurement and evaluation of mechanical vibration and shock as applied to
machines, vehicles and structures.
ISO 20283 consists of the following parts, under the general title Mechanical vibration — Measurement of
vibration on ships:
— Part 2: Measurement of structural vibration
— Part 3: Pre-installation vibration measurement of shipboard equipment
— Part 4: Measurement and evaluation of vibration of the ship propulsion machinery
The following part is planned:
— Part 1: General guidelines
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ISO 20283-4:2012(E)
Introduction
In general, classification societies ask for a numerical study on the torsional vibration behaviour of the propulsion
system for seagoing vessels at the design stage as a base for the design approval. Depending on the results
of this study and the kind of plant to be considered, further torsional vibration investigations for verification on
a case-by-case study may be required. Explicit criteria for the evaluation of the torsional loadings are given
within the rules of the international classification societies as well as in the form of unified requirements (UR)
[10]
of the International Association of Classification Societies, specifically IACS UR M68, with focus on the
torque transmitting parts, such as shafts, gears, couplings, and connections. Studies of the bending vibration
behaviour of the shaft as well as axial vibration of the propulsion system or crankshaft may be required by the
classification societies in the exceptional case that the special design of the system makes such additional
investigations necessary.
Propulsion systems may be exposed to vibration of high magnitude in general excited by the engine
and/or propeller. In addition to the numerical criteria for evaluation of torsional vibration, some further special
requirements may be raised, such as avoiding load reversal in the transmission train. In general, mechanical
components may be perfectly designed for load reversal operation; however, some specific requirements in
this direction are also based on smooth operation of the plant, and the owners or managers of special vessels
such as navy ships or yachts consequently raise them.
The user of this part of ISO 20283 should bear in mind that for the evaluation of measured data on propulsion
plants of ships the rules of the responsible classification society for the vessel in their latest edition or the valid
IACS UR should be considered.
Should any issues regarding this part of ISO 20283 be directly or indirectly addressed by the contracted
classification society’s rules or other international binding regulations, such as those of the International
Maritime Organization (IMO), the International Convention for the Safety of Life at Sea, and UK Maritime
and Coastguard Agency, the choice of the measuring method applied should fulfil the sense of these rules or
regulations, independently of whether the special measuring method is specified within this part of ISO 20283.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 20283-4:2012(E)
Mechanical vibration — Measurement of vibration on ships —
Part 4:
Measurement and evaluation of vibration of the ship
propulsion machinery
1 Scope
This part of ISO 20283 provides guidelines for the instrumentation, measurement, and data processing
procedures required to obtain reliable vibration data on ship propulsion systems. It also gives guidelines for the
application of specific measuring techniques, which are common and adequate for measuring the mechanical
vibration on propulsion plants of seagoing and inland vessels. The measuring techniques can be applied
to diesel engine as well as turbine or electrically driven plants, always considering the specific limitation of
application of each individually described procedure.
The procedures specified in this part of ISO 20283 focus on repetitive mechanical vibration (steady-state or
quasi-stationary like a sweep) and can therefore be inadequate for measuring and evaluating transient, very
fast-changing or shock signals.
This part of ISO 20283 mainly specifies techniques for measuring the mechanical vibration of the main propulsion
plant during sea trials. The same or similar measuring principles can also be used for other purposes, such
as performance monitoring, investigations of abnormal vibration in service, and evaluation of the condition
of repaired parts. However, in such cases, the measuring procedure needs to be adapted to the specific
requirements.
2 Normative references
The following documents, in whole or in part, are normatively referenced in this document and are indispensable
for its application. For dated references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition
of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 2041:2009, Mechanical vibration, shock and condition monitoring — Vocabulary
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 2041 and the following apply.
3.1
free route
condition achieved when the ship is proceeding at a constant speed and course with helm adjustment of ±2°
or less and no throttle adjustment
[SOURCE: ISO 20283-2:2008, 3.3]
3.2
vibration severity
value, or set of value, such as maximum value, average or r.m.s. value, or other parameters that are descriptive
of the vibration, referring to instantaneous values or to average values
[SOURCE: ISO 2041:2009, 2.51]
Note 1 to entry: The vibration severity is a generic term, which in the past has been used in relation to vibration velocity.
However, it is now more generally used as descriptive of other measurement units, such as displacement and acceleration.
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ISO 20283-4:2012(E)
3.3
peak value
maximum value of a vibration during a specified time interval
[SOURCE: ISO 2041:2009, 2.44]
Note 1 to entry: A peak value is usually taken as the maximum deviation of that vibration from the mean value. A positive
peak value is the maximum positive deviation and a negative peak value is the maximum negative deviation, see Figure 1.
Note 2 to entry : In vibration, usually the peak value is understood as half of the peak-to-peak value (of a
vibration) since positive and negative peak values can be different, see also 3.4.
3.4
peak-to-peak value
〈vibration〉 difference between the maximum positive and maximum negative values of a vibration during a
specified interval
[SOURCE: ISO 2041:2009, 2.45]
Note 1 to entry: See Figure 1.
3.5
r.m.s. value
〈vibration〉 root mean square value (computed by the square root of the sum of the squares of the magnitude) of
a fast Fourier transform spectrum with a defined bandwidth or of a time signal during a specified time interval
(e.g. a period of the fundamental frequency)
EXAMPLE 1 An r.m.s. value within a time interval t to t
1 2
t
2
1
2
ut()dt
∫
tt−
21
t
1
EXAMPLE 2 An r.m.s. value from a fast Fourier transform (FFT) spectrum with N spectral lines
N
1
2
X
∑
n
2
n=1
See Figure 1.
Note 1 to entry: This definition of r.m.s. value of a spectrum is derived from the more general definition of r.m.s. spectrum
in ISO 2041:2009, 5.11, adapted to the common use in vibration.
Note 2 to entry: For sine waves, the r.m.s. value is the peak value divided by √2.
Note 3 to entry: In case of mixed source excitation, windowing should be applied. Additional factors need to be included,
to give an r.m.s. value of the form:
N
1
2
X
∑
n
2B
n=1
where
B is the window noise bandwidth factor depending on the anti-leakage window:
B = 1,5 for a Hanning window,
B = 3,77 for a flat top window,
B = 1 without an anti-leakage window;
X is the narrow band magnitude obtained by FFT.
n
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ISO 20283-4:2012(E)
Key
1 peak value, u
2 peak-to-peak value, from −u to +u
3 r.m.s. value
4 period duration
Figure 1 — Values of a vibration u(t) (simplified for a sine wave)
4 Vibration tests
4.1 Instrumentation
The transducers, the signal conditioning, and data storage equipment shall be capable of performing accurate
measurements in the frequency range, which is adequate for the vibration quantities to be measured. The
applied measurement techniques should be able to maintain an accuracy of ±10 %. The involved parties,
namely the yard or builder, owner, class, and supplier, should define a suitable frequency range for the
measurements, depending on the mechanical quantity to be measured. As a general guideline, for linear
vibration measurements, an upper frequency limit of 1 000 Hz is normally used and sufficient. For strain gauge
measurements of forces or torques or other measurements on the rotating parts of the propulsion system,
an upper frequency limit of 100 Hz for low-speed two-stroke engines and of 400 Hz for four-stroke engines
is sufficient (for four-stroke engines at least the upper frequency has to come up to the product of maximum
rotational speed by number of cylinders). For acceleration measurements on gearboxes, higher frequencies,
depending on the excitation forces (gear mesh frequencies), can be appropriate.
The raw or processed data shall be stored permanently by electronic means. Paper printouts may be acceptable
in some cases, but for reproduction purposes, electronic (analogue or digital) data storage is preferred. The
complete transfer function of the measuring chain from transducer to storage and playback equipment or its
playback digital data shall be known to the operator and validated on site or in the laboratory.
It is recommended that the phase of the measured vibration be registered in reference to the source of the
excitation, i.e. a marker indicating the absolute position of the main excitation source should be provided. This
is commonly a marker indicating the phase of the engine (e.g. TDC 1 = top dead centre, cylinder No. 1), but
also the phase of the propeller can be of significance in some exceptional cases.
4.2 Test conditions
Certain sets of measurements concerning the propulsion system require steady-state conditions and refer to
specified loading conditions for the ship in order to fulfil repeatability expectations, such as the following.
a) Ship loading condition should be as close as possible to the contracted nominal operating condition. This
condition is at least the ballasted condition of the ship, which is common during sea trials, with a fully
submerged propeller.
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ISO 20283-4:2012(E)
b) Water depth should be not less than five times the draught of the ship. Deviations shall be agreed by the
contractors and stated in the report.
c) Minimum turning to maintain course during the free-route test should be achieved. The rudder angle
should be restricted to about 2° port and starboard.
d) Maximum sea state should be as follows, with no slamming or severe wave impacts, specifically:
small craft: sea state 1;
small ships (<100 m): sea state 2;
large ships (≥100 m): sea state 3.
e) The engine should work under normal operating conditions. For some kinds of measurements and certain
plants, additional measurements with specified deviations from the normal operation condition may be
agreed upon (typically, this is the misfiring or cylinder cut-off condition for torsional vibration).
f) For more complicated plants including multiple engines, shafts and clutches, the kinds of operational
modes to be investigated shall be agreed upon between the involved parties before performance of
measurements. In this respect, it can be obligatory to fulfil requirements of classification societies (e.g.
torsional vibration for one- and two-engine operation if two engines are working via clutches on one shaft,
or normal and emergency operation for ships with redundant propulsion class annotation).
4.3 Test procedure
4.3.1 General
Each measurement channel shall be checked in an adequate way for reliable, repeatable and accurate
operation. Strain gauges are normally to be calibrated electrically after installation on site.
If it is agreed to evaluate the types of measured mechanical vibration (torsional, bending, axial, transversal)
in reference to each other (instead of estimating the magnitude of each type only), it is recommended that
either simultaneous multi-channel storage techniques be used or additionally the phase of the individual
channels be stored.
4.3.2 Steady-state measurements
Acquisition of “steady-state vibration data” under the conditions specified in 4.2 may be performed by one of
the following procedures.
a) Registration of steady-state values during constantly set speed steps uniformly distributed over the entire
available speed range between minimum and nominal (maximum speed). The number of steps shall be
such that the vibration behaviour over the speed range can be recorded accurately in accordance to the
needs described [for guidance: distance of steps equal to about 5 % intervals of the nominal speed, in the
nearest vicinity of resonances a continuous slow run up (or run down) as specified in b) or smaller steps
are favourable].
b) Slow and steady acceleration from minimum to nominal (maximum) speed. The run up shall be slow
enough to enable full development of the vibration quantities to be measured. In exceptional cases,
deceleration (run down) of the plant may also be considered; however, maximum excitation is expected
during acceleration [for guidance: apply an acceleration of <2 % of the nominal speed value per minute
which results in about 30 min per run up (or run down) for a direct coupled two-stroke engine. For medium-
and high-speed four-stroke engines, an acceleration of <15 % of the nominal speed value per minute
which results in about 10 min per run up (or run down) shall be applied].
It is recommended that the acceleration of the engine and vessel be such that the power absorption curve
follows the nominal power-speed curve.
In exceptional cases, manoeuvring or transient measurements according to Annex A may be applied.
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ISO 20283-4:2012(E)
4.4 Data processing
4.4.1 General
Magnitudes versus frequency or harmonic order spectra are recommended. A resolution of at least 400 spectral
lines and a Hanning window are often used, but different parameters may be more appropriate for better
amplitude or frequency resolution (e.g. 1 600 spectral lines resolution, flat top window, 1 kHz frequency range).
Spectra should be averaged over the length of the data record. The spectra should be used in generating plots
of the amplitudes of all major shaft rotation orders (major engine excited harmonic orders, shaft rate, blade
rate), mostly plus the resulting values (see 4.4.2) versus rotational shaft speed.
Alternatively, order tracking can be applied, if the excitation is mainly periodic with shaft or engine revolutions.
Order tracking is a procedure with a measurement period per timeframe that is adjusted continuously to one
base excitation cycle, i.e. one revolution for two-stroke or two revolutions for four-stroke reciprocating engines).
Then the corresponding order spectra or order plots versus shaft speed generally do not need windowing or
high spectral resolution.
4.4.2 Vibration severity
Either values for vibration severity (often also called resulting values) shall be obtained as peak values or as
r.m.s. values, depending on the parameter measured (see 4.4.3).
Commonly averaged FFT are used at constant-speed measurements, and single FFT in measurements at
variable speed.
The frequency or order range for this evaluation can be restricted to an appropriate range for each measurement
parameter. If any post-processing like filtering is applied, e.g. due to excessive signal noise or other high- or
low-frequency signal disturbance, this shall be stated. Then the vibration severity can be evaluated directly
from the filtered signal or by calculating it from the reduced number of frequency or order values, with their
phases in case of peak values.
4.4.3 Quantities of interest
For measurements on rotating parts of the machinery (e.g. alternating torque or thrust and alternating torsional
or bending stress), the peak values per cycle are of interest and shall be displayed in the graphic diagrams.
The values can be scaled as absolute values or as percentage of the nominal (or design) thrust and torque.
The curve representing the measured (or theoretical) mean value of the torque or thrust can be added to the
diagram in order to visualize possible torque or thrust reversals.
NOTE If the alternating thrust is greater than the mean thrust, the thrust changes direction from ahead to astern
with the frequency of the superimposed dynamic thrust. Likewise, if the alternating torque for geared plants exceeds the
mean torque, audible hammering of the gear’s teeth occurs. These conditions are calculated or evaluated during design
approval. Load reversal can be an allowable operation especially in the lowest speed range.
For linear vibration measurements, the r.m.s. value from the FFT normally is taken as the relevant vibration
severity. This applies to linear acceleration or velocity on non-rotating parts of components of the propulsion
train as listed under 4.5.5. Additionally the highest spectral amplitude is also an important indicator.
In addition, the single amplitudes of the relevant shaft rotation orders (major engine excited harmonic orders,
shaft rate, blade rate) can be included when plotted against rotational shaft speed for visualizing the resonances
of the propulsion system.
4.5 Measurements
4.5.1 General
The extent of measurements is subject to specific agreement between the interested parties.
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ISO 20283-4:2012(E)
Some of the measurement methods provide values that cannot be used for direct assessment; therefore, they
need to be recalculated by means of a mathematical model, which shall be agreed by the interested parties
and reported.
4.5.2 Torsional vibration measurements of the shafting system
Prior to a measurement, normally a torsional vibration calculation is performed and this calculation shall be
agreed by the interested parties (e.g. classification society, manufacturer, consultants, owners).
Measurements shall be carried out by applying appropriate measuring techniques (see the basic alternatives
as given in the following). Measurements should be made as close as practical to where the measured quantity
is representative for all vibration modes of concern.
For assessment, the measured quantities should be transformed by the accepted torsional vibration calculation
model into the appropriate parameters (such as alternating torques or stresses at other parts of the system for
which evaluation of the torques or forces is of interest). Typically, such components are elastic couplings, gear
meshes, connections (alternating torques) as well as shafts (alternating shear stresses).
Measurement techniques can be one of the following:
— dynamic stress measurements by strain gauges;
— measuring the torsional vibration angular or twisting amplitudes by encoders or other angular
measurement methods.
4.5.3 Axial vibration measurements of the shaft
Axial vibration measurements are carried out if they are agreed by the interested parties (e.g. classification
society, manufacturer, consultants, owners).
Measurements shall be carried out by applying appropriate measuring techniques (see the basic alternatives
as given in the following). Measurements should be made as close as practical to where the measured quantity
is representative for all vibration modes of concern.
If the relevant parameter is not directly measured, then for assessment the measured quantities should be
transformed into the appropriate parameters by the accepted calculation model.
Measurement techniques can be one of the following:
a) axial movement or vibration of shaft:
— movement of flanges against the corresponding bearing housing or foundation;
b) thrust (force) measurements (see Note 3):
— dynamic longitudinal stress measurement by strain gauges on the shaft,
— instrumented thrust collar,
— movements of thrust bearing and recalculation of thrust by means of stiffness model of bearing,
— bending stresses on non-rotating parts of thrust bearing and recalculation of thrust by means of
model of bearing.
NOTE 1 Axial vibration measurements are usually taken only in cases of specific technical necessity.
NOTE 2 For large two-stroke diesel engines, measurements are usually taken at the free end of the crankshaft.
NOTE 3 Thrust (force) measurements at the thrust bearing apply in exceptional cases only (e.g. special vessels or
investigation of damages), i.e. they are not applicable for large two-stroke diesel engines and for geared propulsion plants
with thrust bearings integrated into the gearbox housing.
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4.5.4 Bending (whirling) vibration measurements of the shafting
Bending (whirling) vibration measurements are carried out if it is agreed by the involved parties (e.g. classification
society, manufacturer, consultants, owners).
Measurements shall be carried out by applying appropriate measuring techniques (see the basic alternatives
as given in the following). Measurements should be taken as close as practical to where the measured quantity
is representative for all vibration modes of concern.
If the relevant parameter is not directly measured, then for assessment the measured quantities should be
transformed into the appropriate parameters by the accepted calculation model.
Measurement techniques can be one of the following:
— bending stress measurement by strain gauges;
— travel of shaft by 90° (orthogonal) lateral probes.
NOTE Bending (whirling) measurements apply in occasional cases only (e.g. if the calculation shows natural
frequencies close to main excitation frequencies of this vibration). Measuring the bending vibration can gain technical
significance especially for fast rotating shafts of smaller diameters and increased bearing distances and in cases of forced
introduction of high vibratory bending moments as is typical for fast rotating cardan shafts with high inclination.
For bending (whirling) vibration measurements, two full measurement bridges at 90° are needed to evaluate
the true dynamic bending stress.
4.5.5 Measurements of linear or lateral vibration of non-rotating parts of machines and components
4.5.5.1 General
Linear (structure) vibration measurements are usually taken with accelerometers or velocity transducers.
With the vibration measurement on board, both internally excited vibration and externally imposed vibration
are measured.
The test conditions are according to 4.2. The test programme is to be defined by the interested parties.
The most significant positions are dependent on the type of installation and shall be agreed by the interested
parties prior to the measurements.
Those measurements may include the components in 4.5.5.2 to 4.5.5.8.
4.5.5.2 Diesel engines
4.5.5.2.1 General
For definition of measurement points as well as for the evaluation of the measuring data, the kind of mounting
(elastic or rigid) of the engine shall be considered.
Marine diesel engines are, as a rule, type-approved components, and as such, they are designed to withstand
certain levels of vibration and the relevant criteria for assessment of measured vibrations are given by the
engine manufacturers, most often as maximum values referred to level 3 (top edge of frame, see Figure 2).
Sometimes, manufacturers also give a range for typical values for a certain kind and application of an engine.
However, admissible values provided by engine manufacturers are usually given for the main
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 20283-4
Première édition
2012-04-15
Vibrations mécaniques — Mesurage
des vibrations à bord des navires —
Partie 4:
Mesurage et évaluation des vibrations
des machines de propulsion des
navires
Mechanical vibration — Measurement of vibration on ships —
Part 4: Measurement and evaluation of vibration of the ship
propulsion machinery
Numéro de référence
ISO 20283-4:2012(F)
©
ISO 2012
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ISO 20283-4:2012(F)
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Version française parue en 2014
Publié en Suisse
ii © ISO 2012 – Tous droits réservés
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ISO 20283-4:2012(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Essais de vibrations . 3
4.1 Instrumentation . 3
4.2 Conditions d’essai . 4
4.3 Mode opératoire d’essai . 5
4.4 Traitement des données . 5
4.5 Mesurages . 6
5 Critères d’évaluation .18
6 Rapport d’essai .18
Annexe A (informative) Manœuvres, mesurages des transitoires .20
Annexe B (informative) Évaluation des vibrations au niveau des propulseurs orientables
mécaniques (par exemple, propulseurs orientables Schottel) et des lignes d’arbres par
mesurages sur les parties non tournantes .21
Annexe C (informative) Évaluation des vibrations d’un propulseur Voith−Schneider par
mesurages sur des parties non tournantes .22
Bibliographie .24
© ISO 2012 – Tous droits réservés iii
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ISO 20283-4:2012(F)
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui concerne
la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www.
iso.org/directives).
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant les
références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de l’élaboration
du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de brevets reçues par
l’ISO (voir www.iso.org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la signification des termes et expressions spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de
la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion de l’ISO aux principes de l’OMC concernant
les obstacles techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: Avant-propos — Informations
supplémentaires.
L’ISO 20283-4 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 108, Vibrations et chocs mécaniques, et leur
surveillance, sous-comité SC 2, Mesure et évaluation des vibrations et chocs mécaniques intéressant les
machines, les véhicules et les structures.
L’ISO 20283 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Vibrations mécaniques —
Mesurage des vibrations à bord des navires:
— Partie 2: Mesurage des vibrations structurelles
— Partie 3: Mesurage des vibrations des équipements de bord avant leur installation
— Partie 4: Mesurage et évaluation des vibrations des machines de propulsion des navires
La partie suivante est prévue:
— Partie 1: Lignes directrices générales
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ISO 20283-4:2012(F)
Introduction
En général, les sociétés de classification demandent une étude numérique sur le comportement
vibratoire torsionnel du système de propulsion des navires de haute mer lors de la phase de conception
pour l’utiliser comme base d’approbation de la conception. Selon les résultats de cette étude et le type
d’installation à prendre en considération, d’autres études spécifiques sur les vibrations de torsion
peuvent être nécessaires à des fins de vérification. Des critères explicites pour l’évaluation des
chargements de torsion sont donnés dans les règlements des sociétés de classification internationales
ainsi que sous la forme d’exigences unifiées (UR, Unified Requirements) de l’Association internationale
[10]
des sociétés de classification, en particulier l’IACS UR M68, l’accent étant mis sur les pièces de
transmission de couple, telles que les arbres, les engrenages, les accouplements et les raccordements.
Des études sur le comportement vibratoire en flexion de l’arbre ainsi que sur les vibrations axiales du
système de propulsion ou du vilebrequin peuvent être exigées par les sociétés de classification dans le
cas exceptionnel où la conception particulière du système les rend nécessaires.
Les systèmes de propulsion peuvent être exposés à des vibrations de grande amplitude dont la source
d’excitation est, en général, le moteur et/ou l’hélice. En plus des critères numériques pour l’évaluation
des vibrations de torsion, d’autres exigences particulières peuvent être dictées, comme celles visant
à éviter une inversion de charge dans la chaîne cinématique. En général, des composants mécaniques
peuvent être parfaitement conçus pour l’utilisation en inversion de charge; toutefois, certaines
exigences spécifiques en ce sens sont également basées sur une utilisation souple du système et sont par
conséquents mises en avant par les armateurs ou exploitants de navires spéciaux tels que les bâtiments
militaires ou les yachts.
Il convient que l’utilisateur de la présente partie de l’ISO 20283 garde à l’esprit que, pour l’évaluation
des données mesurées sur les systèmes de propulsion des navires, il convient de prendre en compte les
règles de la société de classification responsable du navire dans leur dernière édition ou l’IACS UR en
vigueur.
Si des problèmes concernant la présente partie de l’ISO 20283 sont directement ou indirectement
soulevés par les règles de la société de classification retenue ou par d’autres règlements internationaux
contraignants, tels que ceux de l’Organisation Maritime Internationale (OMI), la Convention
internationale pour la sauvegarde de la vie humaine en mer (SOLAS) et le UK Maritime and Coastguard
Agency, il convient que le choix de la méthode de mesurage appliquée, qu’elle soit ou non spécifiée dans
la présente partie de l’ISO 20283, respecte l’esprit de ces règles ou règlements.
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NORME INTERNATIONALE ISO 20283-4:2012(F)
Vibrations mécaniques — Mesurage des vibrations à bord
des navires —
Partie 4:
Mesurage et évaluation des vibrations des machines de
propulsion des navires
1 Domaine d’application
La présente partie de l’ISO 20283 donne des lignes directrices pour les modes opératoires
d’instrumentation, de mesurage et de traitement des données nécessaires à l’obtention de données de
vibrations fiables sur les systèmes de propulsion des navires. Elle donne également des lignes directrices
pour l’application de techniques de mesurage spécifiques, qui sont usuelles et adéquates pour mesurer
les vibrations mécaniques sur les systèmes de propulsion des navires de haute mer et fluviaux. Il est
possible d’appliquer les techniques de mesurage à un moteur diesel et à des systèmes de propulsion
à turbine ou électriques en prenant toujours en considération les limites d’application spécifiques de
chaque mode opératoire décrit individuellement.
Les modes opératoires spécifiés dans la présente partie de l’ISO 20283 se concentrent sur les vibrations
mécaniques répétitives (régime établi ou quasi-établi, comme un balayage) et peuvent par conséquent
ne pas être adaptés au mesurage et à l’évaluation de signaux transitoires, de signaux variant très
rapidement et de signaux de chocs.
La présente partie de l’ISO 20283 spécifie essentiellement des techniques pour mesurer les vibrations
mécaniques du système de propulsion principal au cours des essais en mer. Des principes de mesurage
identiques ou similaires peuvent également être utilisés à d’autres fins, telles la surveillance des
performances, l’étude de vibrations anormales en service et l’évaluation de l’état des éléments réparés.
Cependant, dans de tels cas, il est nécessaire d’adapter le mode opératoire de mesurage aux besoins
spécifiques.
2 Références normatives
Les documents ci-après, dans leur intégralité ou non, sont des références normatives indispensables à
l’application du présent document Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les
références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les éventuels
amendements).
ISO 2041:2009, Vibrations et chocs mécaniques, et leur surveillance — Vocabulaire.
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 2041 et ci-après
s’appliquent.
3.1
route libre
état atteint lorsque le navire se déplace à vitesse constante en ligne droite avec une variation de cap
maximale de ±2° et sans variation du régime moteur
[SOURCE: ISO 20283-2:2008, 3.3]
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ISO 20283-4:2012(F)
3.2
sévérité vibratoire
valeur, ou ensemble de valeurs, comme une valeur maximale, une valeur moyenne ou une valeur efficace,
ou d’autres paramètres décrivant les vibrations, ayant trait à des valeurs instantanées ou à des valeurs
moyennes
[SOURCE: ISO 2041:2009, 2.51]
Note 1 à l’article: la sévérité vibratoire est un terme générique qui a été utilisé dans le passé en relation avec la
vitesse de vibration. Toutefois, il est désormais plus généralement utilisé pour décrire d’autres unités de mesurage,
telles que le déplacement et l’accélération.
3.3
valeur de crête
valeur maximale d’une vibration pendant un intervalle de temps spécifié
[SOURCE: ISO 2041:2009, 2.44]
Note 1 à l’article: une valeur de crête est habituellement considérée comme l’écart maximal de cette vibration
avec la valeur moyenne. Une valeur de crête positive est l’écart maximal positif et une valeur de crête négative est
l’écart maximal négatif, voir Figure 1.
Note 2 à l’article: en matière de vibrations, la valeur de crête est habituellement comprise comme la moitié de la
valeur crête à crête (d’une vibration) puisque les valeurs de crête positive et négative peuvent être différentes;
voir également 3.4.
3.4
valeur crête à crête
différence 〈de vibration〉 entre la valeur positive maximale et la valeur négative maximale d’une vibration
dans un intervalle spécifié
[SOURCE: ISO 2041:2009, 2.45]
Note 1 à l’article: voir Figure 1.
3.5
valeur efficace
valeur quadratique moyenne 〈de vibration〉 (calculée par la racine carrée de la somme des carrés de
l’amplitude) d’un spectre de transformée de Fourier rapide avec une largeur de bande définie ou d’un
signal temporel pendant un intervalle de temps spécifié (par exemple, une période de la fréquence
fondamentale)
EXEMPLE 1 Une valeur efficace dans un intervalle de temps t à t
1 2
t
2
1
2
ut()dt
∫
t −t
21
t
1
EXEMPLE 2 Une valeur efficace d’un spectre d’une transformée de Fourier rapide (FFT) avec N raies spectrales
N
1
2
X
n
∑
2
n=1
Voir Figure 1.
Note 1 à l’article: la présente définition de la valeur efficace d’un spectre est obtenue à partir de la définition plus
générale du spectre efficace donnée par l’ISO 2041:2009, 5.11, adaptée à une utilisation courante en matière de
vibrations.
Note 2 à l’article: pour les ondes sinusoïdales, la valeur efficace est la valeur de crête divisée par √2.
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ISO 20283-4:2012(F)
Note 3 à l’article: en cas de source d’excitation mixte, il convient d’appliquer un fenêtrage. D’autres facteurs doivent
être inclus pour donner une valeur efficace de la forme:
N
1
2
X
n
∑
2B
n=1
où
B est le coefficient de largeur de bande de bruit de la fenêtre en fonction de la fenêtre de pondé-
ration temporelle:
B = 1,5 pour une fenêtre de Hanning,
B =3,77 pour une fenêtre flat top,
B = 1 sans fenêtre de pondération temporelle,
X est l’amplitude de la bande étroite obtenue par FFT.
n
Légende
1 valeur de crête, û
2
valeur crête à crête, de -û à +û
3 valeur efficace
4 durée de la période
Figure 1 — Valeurs d’une vibration u(t) (simplifiées pour une onde sinusoïdale)
4 Essais de vibrations
4.1 Instrumentation
Les capteurs, le conditionnement du signal et l’équipement de stockage de données doivent être capables
d’effectuer des mesurages précis dans la plage de fréquences, laquelle doit être adéquate pour les
quantités de vibrations à mesurer. Il convient que les techniques de mesurage utilisées soient capables
de maintenir une exactitude de ±10 %. Il convient que les parties concernées, à savoir le chantier ou
le constructeur, le propriétaire, la société de classification et le fournisseur, définissent une plage de
fréquences convenable pour les mesurages en fonction des quantités mécaniques à mesurer. À titre de
ligne directrice générale, une limite supérieure de fréquence de 1 000 Hz est normalement utilisée et
suffisante pour les mesurages de vibrations linéaires. Pour les mesurages par extensométrie de forces
ou de couples ou d’autres mesurages sur les parties tournantes du système de propulsion, une limite
de fréquence supérieure de 100 Hz pour les moteurs lents deux temps et de 400 Hz pour les moteurs
quatre temps est suffisante (pour les moteurs quatre temps, la fréquence supérieure doit être égale ou
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ISO 20283-4:2012(F)
supérieure au produit de la vitesse de rotation maximale par le nombre de cylindres). Pour les mesurages
d’accélération sur les réducteurs, des fréquences plus élevées peuvent être appropriées selon les forces
d’excitation (fréquences d’engrènement).
Les données brutes ou traitées doivent être stockées de façon permanente par un moyen électronique.
Les sorties sur papier peuvent être acceptables dans certains cas, mais à des fins de reproduction, un
système de stockage de données électronique (analogique ou numérique) est préférable. La fonction de
transfert complète de la chaîne de mesurage, du capteur à l’équipement de stockage et de relecture, ou
ses données numériques de relecture, doivent être connues de l’opérateur et doivent être validées sur
site ou en laboratoire.
Il est recommandé d’enregistrer la phase des vibrations mesurées en faisant référence à la source de
l’excitation. En d’autres termes, il convient de fournir un marqueur indiquant la position absolue de la
source d’excitation principale. Il s’agit communément d’un marqueur indiquant la phase du moteur (par
exemple, PMH 1= point mort haut, cylindre N °1), mais la phase de l’hélice peut avoir son importance
dans certains cas exceptionnels.
4.2 Conditions d’essai
Certaines séries de mesurages concernant le système de propulsion exigent des conditions de régime
établi et se réfèrent aux états de chargement spécifiés pour le navire afin de répondre aux attentes de
répétabilité telles que celles énoncées ci-après.
a) Il convient que l’état de chargement du navire soit aussi proche que possible de l’état de fonctionnement
nominal contractuel. Cet état correspond au moins à l’état ballasté du navire, courant pendant les
essais en mer, avec une hélice entièrement immergée.
b) Il convient que la profondeur de l’eau ne soit pas inférieure à cinq fois le tirant d’eau du navire. Les
écarts doivent être approuvés par les parties contractantes et mentionnés dans le rapport.
c) Il convient de dévier aussi peu que possible du cap choisi au cours de l’essai de route libre. Il convient
de limiter l’angle de barre à 2° environ sur bâbord et sur tribord.
d) Il convient que l’état de mer maximum soit comme indiqué ci-après et ne provoque pas de tossage ou
d’impacts de lames importants, en particulier:
embarcations: état de mer 1;
petits navires (< 100 m): état de mer 2;
grands navires (≥ 100 m): état de mer 3.
e) Il convient que le moteur tourne dans des conditions normales de fonctionnement. Pour certains
types de mesurages et de systèmes de propulsion, il peut être convenu d’effectuer des mesurages
supplémentaires avec des écarts spécifiés par rapport à l’état de fonctionnement normal (il s’agit
généralement de l’état de raté ou de coupure de cylindre pour les vibrations de torsion).
f) Pour les systèmes plus complexes intégrant plusieurs moteurs, lignes d’arbres et embrayages, les
types de modes de fonctionnement à étudier doivent être convenus entre les parties concernées
avant la réalisation des mesurages. À cet égard, il peut être obligatoire de répondre aux exigences
des sociétés de classification (par exemple, vibrations de torsion pour fonctionnement avec un et
deux moteurs si deux moteurs fonctionnent via des embrayages sur un arbre, ou fonctionnement
normal et d’urgence pour les navires ayant une annotation de classe avec propulsion redondante).
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4.3 Mode opératoire d’essai
4.3.1 Généralités
Le fonctionnement fiable, reproductible et précis de chaque voie de mesurage doit être vérifié de
façon adéquate. Des jauges de contrainte doivent normalement être étalonnées électriquement après
installation sur site.
S’il est convenu d’évaluer les types de vibrations mécaniques mesurées (de torsion, de flexion, axiales,
transversales) les unes par rapport aux autres (au lieu d’estimer uniquement l’amplitude de chaque
type), il est recommandé d’utiliser des techniques de stockage multivoie simultané ou d’enregistrer en
plus la phase de chacune des voies individuelles.
4.3.2 Mesurage en régime établi
L’acquisition de «données de vibration en régime établi» dans les conditions spécifiées en 4.2 peut être
effectuée par l’un des modes opératoires suivants.
a) Enregistrement de valeurs en régime établi pendant des paliers de vitesse constante uniformément
répartis sur toute la plage de vitesses disponible entre la vitesse minimale et la vitesse nominale
(maximale). Le nombre de paliers doit être tel que le comportement vibratoire sur la plage de
vitesse puisse être enregistré avec exactitude conformément aux besoins décrits [à titre de guide:
l’intervalle de vitesse entre les paliers est égal à 5 % environ de la vitesse nominale; au voisinage des
résonances, il est recommandé d’effectuer une montée (ou une descente) en vitesse lente et continue
comme spécifié en b) ou de rapprocher les paliers)].
b) Accélération lente et régulière de la vitesse minimale à la vitesse nominale (maximale). La montée en
vitesse doit être suffisamment lente pour permettre le plein établissement des vibrations à mesurer.
Dans des cas exceptionnels, la décélération (descente en vitesse) du système peut également être
envisagée; toutefois, l’excitation maximale est attendue pendant l’accélération [à titre de guide:
appliquer une accélération de 2 % de la valeur nominale de la vitesse par minute se traduisant par
une montée (ou une descente) en vitesse de 30 minutes environ pour un moteur deux temps en
propulsion directe. Pour les moteurs quatre temps semi-rapides et rapides, il faut appliquer une
accélération de 15 % de la valeur nominale de la vitesse par minute se traduisant par une montée
(ou une descente) en vitesse de 10 minutes].
Il est recommandé que l’accélération du moteur et du navire soit telle que la courbe d’absorption de
puissance suive la courbe puissance-vitesse nominale.
Dans des cas exceptionnels, des manœuvres ou des mesurages transitoires conformément à l’Annexe A
peuvent être appliqués.
4.4 Traitement des données
4.4.1 Généralités
Des spectres d’amplitude en fonction de la fréquence ou des ordres d’harmoniques sont recommandés.
Une résolution d’au moins 400 lignes spectrales et une fenêtre de Hanning sont souvent utilisées, mais
différents paramètres peuvent être plus appropriés pour une meilleure résolution d’amplitude ou de
fréquence (par exemple, résolution de 1 600 lignes spectrales, fenêtre flat top, plage de fréquence de
1 kHz). Il convient de prendre en compte la moyenne des spectres sur la durée de l’enregistrement de
données. Il convient d’utiliser les spectres pour générer les tracés des amplitudes de tous les ordres
principaux de rotation de l’arbre (ordres principaux d’harmoniques excités par le moteur, fréquence de
rotation de l’arbre, fréquence de rotation des pales), plus les valeurs obtenues (voir 4.4.2) en fonction de
la vitesse de rotation de l’arbre.
Alternativement, le suivi d’ordres peut être appliqué si l’excitation est principalement périodique sous
l’effet du nombre de tours de l’arbre ou du moteur. Le suivi d’ordres est un mode opératoire comprenant
une période de mesurage par base de temps qui est ajustée continuellement sur un cycle d’excitation
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de base, c’est-à-dire un tour pour des moteurs alternatifs deux temps ou deux tours pour des moteurs
alternatifs quatre temps). Dans ce cas, les spectres d’ordres ou les tracés d’ordres en fonction de la
vitesse de l’arbre correspondants ne nécessitent généralement pas de fenêtrage ou une haute résolution
spectrale.
4.4.2 Sévérité vibratoire
Les valeurs de sévérité vibratoires des vibrations (souvent appelées aussi valeurs résultantes) doivent
être obtenues en tant que valeurs de crête ou valeurs efficaces selon le paramètre mesuré (voir 4.4.3).
Il est couramment fait usage de FFT moyennées pour des mesurages à vitesse constante et de FFT
uniques pour des mesurages à vitesse variable.
La plage de fréquences ou d’ordres pour cette évaluation peut être limitée à une plage appropriée pour
chaque paramètre de mesurage. Si un post-traitement tel qu’un filtrage est appliqué, par exemple, à
cause du bruit excessif du signal ou d’autres perturbations à haute ou basse fréquence du signal, il doit
être indiqué. Dans ce cas, il est possible d’évaluer directement la sévérité vibratoire à partir du signal
filtré ou de la calculer à partir du nombre réduit de valeurs de fréquence ou d’ordres, avec leurs phases
dans le cas de valeurs de crête.
4.4.3 Quantités pertinentes
Pour les mesurages sur les parties tournantes de la machine (par exemple le couple ou la poussée
alternées et les contraintes de torsion ou de flexion alternées), les valeurs de crête par cycle présentent
un intérêt et doivent être affichées dans les graphiques. Les valeurs peuvent être mises à l’échelle en
valeur absolue ou en pourcentage de la valeur nominale (ou théorique) de la poussée et du couple. La
courbe représentant la valeur moyenne mesurée (ou théorique) du couple ou de la poussée peut être
ajoutée au schéma afin de visualiser d’éventuelles inversions de couple ou de poussée.
NOTE Si la poussée alternative est supérieure à la poussée moyenne, la poussée change de sens d’avant en
arrière avec la fréquence de la poussée dynamique superposée. De même, si le couple alternatif des systèmes à
réducteur dépasse le couple moyen, un martelage des dents du réducteur est audible. Ces conditions sont calculées
ou évaluées lors de l’approbation de la conception. L’inversion de charge peut être une opération admissible, en
particulier dans la plage de vitesse la plus basse.
Pour les mesurages de vibrations linéaires, la valeur efficace de la FFT est considérée comme étant la
valeur de sévérité vibratoire correspondante. Cela s’applique à l’accélération ou à la vitesse linéaire des
parties non tournantes des composants de la chaîne de propulsion énumérés en 4.5.5. Par ailleurs, la
plus grande amplitude spectrale est aussi un indicateur important.
En outre, il est possible d’inclure les amplitudes simples des ordres de rotation de l’arbre correspondants
(principaux ordres d’harmoniques excités par le moteur, fréquence de rotation de l’arbre, fréquence de
rotation des pales) en les représentant graphiquement en fonction de la vitesse de rotation de l’arbre
pour visualiser les résonances du système de propulsion.
4.5 Mesurages
4.5.1 Généralités
L’étendue des mesurages est soumise à un accord spécifique entre les parties intéressées.
Certaines des méthodes de mesurage fournissent des valeurs qui ne peuvent pas être utilisées pour
une évaluation directe; par conséquent, il est nécessaire de recalculer ces valeurs à l’aide d’un modèle
mathématique qui doit être soumis à l’accord des parties intéressées et consigné dans un rapport.
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ISO 20283-4:2012(F)
4.5.2 Mesurages de vibrations de torsion du système de lignes d’arbres
Avant un mesurage, il est normalement effectué un calcul de vibrations de torsion qui doit faire
l’objet d’un accord entre les parties intéressées (par exemple, société de classification, constructeur,
consultants, armateurs).
Les mesurages doivent être effectués en appliquant des techniques de mesurage appropriées (voir les
alternatives de base indiquées ci-après). Il convient d’effectuer les mesurages aussi près que possible de
l’endroit où la
...
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