ISO 13373-9:2017
(Main)Condition monitoring and diagnostics of machines — Vibration condition monitoring — Part 9: Diagnostic techniques for electric motors
Condition monitoring and diagnostics of machines — Vibration condition monitoring — Part 9: Diagnostic techniques for electric motors
ISO 13373-9 specifies procedures to be considered when carrying out vibration diagnostics of various types of electric motors. The four motor types covered by ISO 13373-9 are squirrel-cage induction, wound-rotor induction, salient-pole and DC motors. NOTE The first two types are defined in ISO 20958. ISO 13373-9 is mostly applicable to motors with power above 15 kW. ISO 13373-9 is intended to be used by condition monitoring practitioners, engineers and technicians and provides a practical step-by-step vibration-based approach to fault diagnosis. In addition, it gives a number of examples for a range of machine and component types and their associated fault symptoms. The procedures presented in ISO 13373-9 can, in some cases, be applied to other types of electrical machines, such as generators, but there can be other specific techniques associated with such machines that are not included in ISO 13373-9. The use of non-vibration quantities, such as voltage and current, to identify and analyse vibration-related faults in electric motors is outside the scope of ISO 13373-9.
Surveillance et diagnostic d'état des machines — Surveillance des vibrations — Partie 9: Techniques de diagnostic pour moteurs électriques
L'ISO 13373-9 spécifie les modes opératoires à envisager lors du diagnostic du comportement vibratoire de divers types de moteurs électriques. Les quatre types de moteurs traités par l'ISO 13373-9 sont: les moteurs à induction à cage d'écureuil, les moteurs à induction à rotor bobiné, les moteurs à pôles saillants et les moteurs à courant continu. NOTE Les deux premiers types de moteurs sont définis dans l'ISO 20958. L'ISO 13373-9 s'applique principalement aux moteurs d'une puissance supérieure à 15 kW. L'ISO 13373-9 est destiné aux professionnels, aux ingénieurs et aux techniciens assurant la surveillance de l'état des machines et donne une méthode pratique basée sur les vibrations, détaillée pas-à-pas, pour établir le diagnostic des défauts. En outre, il présente un certain nombre d'exemples couvrant divers types de machines et de composants, et les symptômes des défauts qui leur sont associés. Les modes opératoires proposés dans l'ISO 13373-9 peuvent, dans certains cas, s'appliquer à d'autres types de machines électriques, par exemples des alternateurs, mais il peut exister d'autres techniques spécifiques associés aux dites machines qui ne figurent pas dans l'ISO 13373-9. Le domaine d'application du présent document couvre l'utilisation de grandeurs non vibratoires, comme la tension et le courant, pour déterminer et analyser les défauts des moteurs électriques liés aux vibrations.
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Relations
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Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 13373-9
First edition
2017-10
Condition monitoring and diagnostics
of machines — Vibration condition
monitoring —
Part 9:
Diagnostic techniques for electric
motors
Surveillance et diagnostic d'état des machines — Surveillance des
vibrations —
Partie 9: Techniques de diagnostic pour moteurs électriques
Reference number
ISO 13373-9:2017(E)
©
ISO 2017
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ISO 13373-9:2017(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Measurements . 3
4.1 Vibration measurements . 3
4.2 Machine operational parameter measurements . 3
5 Initial analysis . 3
6 Motor specific analysis . 3
Annex A (normative) Systematic approach to vibration analysis of electric motors .4
Annex B (informative) Methodology for vibration diagnosis of faults in electric motors .11
Annex C (informative) Examples of vibration problems in electric motors .17
Bibliography .23
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ISO 13373-9:2017(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.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
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. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see the following
URL: www.iso.org/iso/foreword.html.
This document 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.
A list of all parts in the ISO 13373 series can be found on the ISO website.
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ISO 13373-9:2017(E)
Introduction
This document has been developed as guideline for the procedures to be considered when carrying
out vibration diagnostics of electric motors. It is intended to be used by vibration practitioners,
engineers and technicians and it provides them with useful diagnostic tools. These tools include the use
of diagnostic flowcharts and process tables and fault tables. The material contained in this document
presents the most basic, logical, and intelligent steps that should be taken when diagnosing problems
associated with these particular types of machines.
The ISO 7919 (rotating shafts), ISO 10816 (non-rotating parts) and ISO 20816 (both rotating shafts
and non-rotating parts) series of International Standards contain acceptable vibration and zones for
various types and sizes of machines, ranging from new and well-running machines to machines that are
in danger of failing.
ISO 13373-1 presents the basic procedures for vibration narrow-band signal analysis. It includes the
types of transducers used, their ranges, and their recommended locations on various types of machines;
online and periodic vibration monitoring systems; and, potential machinery problems.
ISO 13373-2 includes descriptions of the signal conditioning equipment that is required, time and
frequency domain techniques, and the waveforms and signatures that represent the most common
machinery operating phenomena or machinery faults that are encountered when performing vibration
signature analysis.
ISO 13373-3 provides some procedures to determine the causes of vibration problems common to all
types of rotating machines. It includes systematic approaches to characterize vibration effects, the
diagnostic tools available, which tools are needed for particular applications, and recommendations
on how the tools are to be applied to different machine types and components. However, this does not
preclude the use of other diagnostic techniques.
It should be noted that ISO 17359 indicates that diagnostics
— can be started as a succeeding activity after detection of an anomaly during monitoring, or
— can be executed synchronous with monitoring from the beginning.
The present document considers only the former in which diagnostics is performed after an anomaly
has been detected. Moreover, this document focuses mainly on the use of flowcharts and process tables
as diagnostic tools, as well as fault tables, since it is felt that these are the tools that are most appropriate
for use by practitioners, engineers and technicians in the field.
The flowchart and diagnostic process table methodology presents a structured procedure for a person
in the field to diagnose a fault and find its cause. This step-by-step procedure should be able to guide
the practitioner in the vibration diagnostics of the machine anomaly in order to reach the probable root
cause of this anomaly.
The fault tables present a list of the most common faults in machinery, as well as their manifestations
in the vibration data. When used with the flowcharts, the tables assist with the identification of
machinery faults.
When approaching a machinery problem that manifests itself as a high or erratic vibration signal,
the diagnosis of the problem should be done in a well-thought out systematic manner. This document
together with ISO 13373-3 achieve that purpose by providing to the analyst guidance on the selection
of the proper measuring tools, the analysis tools and their use, and the step-by-step recommended
procedures for the diagnosis of problems associated with various types of electric motors.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 13373-9:2017(E)
Condition monitoring and diagnostics of machines —
Vibration condition monitoring —
Part 9:
Diagnostic techniques for electric motors
1 Scope
This document specifies procedures to be considered when carrying out vibration diagnostics of
various types of electric motors. The four motor types covered by this document are squirrel-cage
induction, wound-rotor induction, salient-pole and DC motors.
NOTE The first two types are defined in ISO 20958.
This document is mostly applicable to motors with power above 15 kW.
This document is intended to be used by condition monitoring practitioners, engineers and technicians
and provides a practical step-by-step vibration-based approach to fault diagnosis. In addition, it gives a
number of examples for a range of machine and component types and their associated fault symptoms.
The procedures presented in this document can, in some cases, be applied to other types of electrical
machines, such as generators, but there can be other specific techniques associated with such machines
that are not included in this document.
The use of non-vibration quantities, such as voltage and current, to identify and analyse vibration-
related faults in electric motors is outside the scope of this document.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 2041, Mechanical vibration, shock and condition monitoring — Vocabulary
ISO 13372, Condition monitoring and diagnostics of machines — Vocabulary
ISO 20958, Condition monitoring and diagnostics of machine systems — Electrical signature analysis of
three-phase induction motors
ISO 21940-2, Mechanical vibration — Rotor balancing — Part 2: Vocabulary
IEC 60050, International Electrotechnical Vocabulary
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 2041, ISO 13372, ISO 20958,
ISO 21940-2, IEC 60050 and the following apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— IEC Electropedia: available at http://www.electropedia.org/
— ISO Online browsing platform: available at http://www.iso.org/obp
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ISO 13373-9:2017(E)
3.1
DC armature
shaft with laminated, slotted core into which a two-layer winding is installed and connected to a
commutator which is supplied with DC power via brushes
3.2
salient-pole rotor
shaft with solid or laminated poles having a winding on each pole
Note 1 to entry: The pole windings are connected together and to sliprings or a brushless exciter from which the
required DC power supply is applied.
3.3
supply frequency
frequency of the power supply connected to AC motors
Note 1 to entry: The supply frequency is also called line frequency.
3.4
slip frequency
difference between the synchronous rotational speed and rotor rotational speed
frequencies
3.5
number of stator poles
integer which is defined by the following formula:
2 n
syn
60 f
supp
where
n is the synchronous rotational speed, in r/min;
syn
f is the supply frequency, in Hz.
supp
Note 1 to entry: The number of pole pairs is the number of poles divided by 2.
3.6
pole passing frequency
rotor slip frequency times the number of poles
3.7
stator slot passing frequency
number of stator slots times the rotor rotational speed
3.8
rotor slot passing frequency
number of rotor slots times the rotor rotational speed
3.9
rotor bar passing frequency
number of bars in a squirrel-cage rotor times the rotor rotational speed
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ISO 13373-9:2017(E)
4 Measurements
4.1 Vibration measurements
Vibration measurements may be obtained using two main categories of transducers:
— non-contacting, e.g. inductive, capacitive and eddy current probes used on rotating shafts;
— seismic transducers, e.g. accelerometers or velocity transducers used on non-rotating parts, such as
bearing housings.
International Standards are available to help assess the vibration severity for the described types of
measurement, in particular, ISO 7919, ISO 10816 and ISO 20816.
It is important to recognize that the appropriate transducer, signal conditioning, measurement and
analysis system should be used for the diagnosis of faults considering specific situations in electric
motors. For example, to detect rotor bar problems, high resolution in the spectrum is required to detect
the slip frequency. In many cases, it is required to consider the grounding and electrical field of the
machine before taking any measurement.
The description of transducer and measurement systems, as well as specification of techniques, are
given in ISO 13373-1 and ISO 13373-2, which shall be considered for appropriate selection.
4.2 Machine operational parameter measurements
These are operational parameters, e.g. rotational speed, load, motor orientation (vertical or horizontal),
mounting configuration (solid or flexible support arrangement) and temperatures, that can have an
influence on the machine vibration characteristics and are therefore important to acquire in order to
arrive at an appropriate diagnosis. For a given machine, these parameters can be associated with a
range of steady-state and transient operating conditions.
5 Initial analysis
An initial analysis should be performed using the guidelines given in ISO 13373-3:2015, Annex A. This
analysis should identify safety concerns, the presence of high vibration, and if so, its vibration severity,
past history, effects of operating parameters, consequences of not taking corrective actions and the
need for a motor shutdown. Also, other factors such as motor mounting configuration, vibration from
driven machinery, position relative to other rotating machines, building structure, environment, etc.
should be considered during an initial analysis. See also ISO 13373-3:2015, Annexes B to D, for common
faults such as from installation and bearing defects.
6 Motor specific analysis
Electric motors are used as drivers in many industrial applications such as pumps, fans and compressors.
This document covers vibration diagnosis information for the most common types of electric motors.
Symptoms of the most prevalent motor defects that cause excessive vibration magnitudes are given in
Annex A which shall be considered. However, Annex A does not cover motor vibration from inadequate
motor mounting, hydrodynamic bearing problems, or rolling element bearing problems which are
addressed in ISO 13373-3:2015, Annexes B, C and D, respectively.
The methodology for vibration diagnosis of electric motors is given in Annex B, while case studies
illustrating the methodology are provided in Annex C. The techniques used in vibration diagnosis of
electric motors include visual inspections, vibration magnitudes, spectral analysis, time waveform
analysis, phase analysis and operational deflection shape (ODS) analysis. The use of these techniques is
described in B.2.
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ISO 13373-9:2017(E)
Annex A
(normative)
Systematic approach to vibration analysis of electric motors
The systematic approach to vibration analysis of electric motors is given by the fault table in Table A.1.
NOTE Most of the theory as to why specific defects can be identified by certain vibration frequencies and
other characteristics can be found in References [15] and [16].
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ISO 13373-9:2017(E)
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Table A.1 — Fault table for vibration analysis of electric motors
Defect Measurement Initial rate Major Subsequent Effect on Effect of Repeatabil- Comments
conditions of change frequency behaviour resonance cutting ity
under which of component of of vibration speed power
vibration vibration changed with time
change occurs amplitude vibration
amplitude and
phase angles
Loose stator coils Usually gradually Slow rate (Number of Magnitudes None Immediate Yes Unlikely to
(synchronous motors) develops with of change stator coils) increase drop in occur if stator
time times (1× rota- with time vibration winding is
tional speed) magnitudes global
with 1× rota- vacuum pres-
tional speed sure
sidebands impregnated
Bent shaft extension Usually after Fast rate of Mainly 1× If due to None Some initial Magnitudes Can be
failure of driven change rotational high radial drop in the can change confirmed by
equipment, or if speed, but ex- load on shaft 2× supply with load and total
high radial load hibit 2× supply extensions frequency temperature indicated
is imposed frequency and can increase component, runout
modulation of with time but then measurement
this at 2× slip and vary slowly on shaft
frequency with load increases extension
in 2-pole with time
squirrel-cage
motors if bent
shaft leads to
non-uniform
air gap
Rotor running off magnetic centre After motor Depends High axial 1×, Can change None Immediate Magnitudes Higher
installation, or on how far 2× or 3× rota- with load drop in can change magnitudes
axial rotor is off tional speed vibration with load and on motors
realignment with its axial frequency with magnitudes temperature with radial
driven equipment magnetic much lower cooling ducts
centre radial on stator and
vibration rotor
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Table A.1 (continued)
Defect Measurement Initial rate Major Subsequent Effect on Effect of Repeatabil- Comments
conditions of change frequency behaviour resonance cutting ity
under which of component of of vibration speed power
vibration vibration changed with time
change occurs amplitude vibration
amplitude and
phase angles
Cracked or broken rotor bars After motor Slow if High 1× rota- Vibration Will Immediate Magnitudes Motor will
starting, unless fabricated tional speed will increase change drop in will change become noisy
due to voids in rotor bars frequency if more rotor response vibration if more rotor during start-
diecast rotor with side- bars break. magnitudes bars break ing and start
bars bands at ± slip Also time will
frequency unbalance increase due
times number and to reduction
of poles. Also vibration in motor
harmonics of due to ther- torque. Can
these frequen- mal bow will usually be
cies. Vibration develop confirmed by
amplitude current sig-
can vary at nature analy-
slip frequency sis and 2× slip
times number frequency
of poles and sidebands
increase with around sup-
load. Can also ply frequency
be a high 4× ro-
tational speed
axial vibration
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Table A.1 (continued)
Defect Measurement Initial rate Major Subsequent Effect on Effect of Repeatabil- Comments
conditions of change frequency behaviour resonance cutting ity
under which of component of of vibration speed power
vibration vibration changed with time
change occurs amplitude vibration
amplitude and
phase angles
Loose rotor bars Unless bars For 2× supply Vibration Varies Rotor slot Yes Excessive
were loose from developing frequency side- magnitudes with load passing looseness
manufacture will looseness bands on 1×, will increase frequencies and rotor
usually start to with 2× or 3× rotor with time will im- thermal bow
develop some service, slot passing and can vary mediately can cause
time after motor rate of frequency com- with load if disappear. mechanical
is placed in change will ponents more bars Unbalance unbalance in
service be slow become effect higher speed
loose frequency motors
component
can sudden-
ly disap-
pear at
some lower
speed
Non-uniform air gap Steady load Can develop 2× supply Will likely Not Immediate Yes Can be due
conditions slowly with frequency, may not change applicable drop in to soft foot
time have beating with time or vibration or flexible
with 2× rota- load magnitude stator, some-
tional speed in times induced
2-pole motors by misalign-
ment
Unbalanced power supply voltages Steady load Depends 2× power sup- Vibration Not appli- Drops rap- May not be Voltage
conditions on amount ply frequency magnitudes cable idly unless repeatable, if unbalance
of voltage radial, with will increase there is a due to a loose can be from
unbalance 1/3× supply with the resonance connection supply unbal-
frequency amount speed ance, or loose
sidebands, with of voltage below connection at
perhaps an am- unbalance rotational motor
plitude beat speed terminals
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Table A.1 (continued)
Defect Measurement Initial rate Major Subsequent Effect on Effect of Repeatabil- Comments
conditions of change frequency behaviour resonance cutting ity
under which of component of of vibration speed power
vibration vibration changed with time
change occurs amplitude vibration
amplitude and
phase angles
Rotor shaft crack Steady load Slow 1× plus 2×, 3× 1× com- Frequency Can be May not be Steady-state
conditions initially mainly ponent can reduce initial drop repeatable vibration
radial, some increases and split due to loss changes can
axial depend- exponential- into two of magnetic be insignifi-
ent upon type ly with time, peaks attraction cant. Larger
of crack while 2× between amplitudes
magnitude rotor and can be
and phase stator evident on
unsteady then slow rundown
decline af- through reso-
terwards nance speeds
leading to ac-
celeration of
damage. Ob-
serve trends
of harmonic
vibration
components.
Compare his-
toric slow-roll
runout and
changes in 1×
and some 2×
characteris-
tics
Proximity of rotor resonance speed to Normal Immediate- 1× rotational Will likely Not Drops rap- Yes Shaft dis-
operating speed operating ly evident speed mainly not change applicable idly unless placement
conditions, but radial with time there is a measure-
can pass through resonance ments are
resonance speed speed best for
during start up below detecting this
rotational problem
speed
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Table A.1 (continued)
Defect Measurement Initial rate Major Subsequent Effect on Effect of Repeatabil- Comments
conditions of change frequency behaviour resonance cutting ity
under which of component of of vibration speed power
vibration vibration changed with time
change occurs amplitude vibration
amplitude and
phase angles
Proximity of structural resonances to Normal Immediate- 1× rotational Will likely Not Drops rap- Yes
operating speed operating ly evident speed radial or not change applicable idly unless
conditions, but axial, but will with time there is a
can pass through dominate in resonance
resonance speed one plane speed
during start up below
rotational
speed
Salient-pole rotor shorted turns Steady load Immediate- Rotational Will in- Can Immediate Yes Sometimes
conditions ly evident speed times crease if change drop in difficult to
number of more short- resonance vibration confirm since
poles. Magni- ed turns speed due magnitude turn shorts
tude propor- develop to increase can disap-
tional to the in radial pear when
number of bearing centrifugal
shorted turns loading forces pres-
and field cur- from un- ent during
rent. Mainly balanced running are
radial vibration magnet- not present
mode ic pull with the rotor
between at standstill
rotor and
stator
Loose salient-poles Steady load and Can develop Rotational Will Can Drops Yes
during starting slowly with speed times increase change slowly with
and stopping time number of with further resonance speed
poles with 1× pole loose- speed
speed side- ness
bands mainly
radial
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ISO 13373-9:2017(E)
10 © ISO 2017 – All rights reserved
Table A.1 (continued)
Defect Measurement Initial rate Major Subsequent Effect on Effect of Repeatabil- Comments
conditions of change frequency behaviour resonance cutting ity
under which of component of of vibration speed power
vibration vibration changed with time
change occurs amplitude vibration
amplitude and
phase angles
Stator shorts Steady load Can develop 2× supply Will in- Not Immediate Yes
conditions slowly with frequency and crease if applicable drop in
time multiples shorted area vibration
increases magnitude
DC motor broken field windings and Steady load Can develop Usually 6× solid Can in- Not Immediate Yes
loose connections conditions slowly with state AC to DC crease with applicable drop in
time power rectifier increased vibration
firing frequen- connection magnitude
cy (mainly looseness
radial)
Misalignment with driven equipment See
ISO 13373-3:2015,
Annex B
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Annex B
(informative)
Methodology for vibration diagnosis of faults in electric motors
B.1 General
A methodology for vibration diagnosis of faults in electric motors is given by the flowcharts in
Figures B.1 to B.4. Relevant International Standards for vibration magnitudes are in particular ISO 7919,
ISO 10816 and ISO 20816.
NOTE ODS stands for operational deflection shape.
Figure B.1 — Start procedure
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ISO 13373-9:2017(E)
Figure B.2 — Procedure for predominant 1× rotational speed
12 © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO 13373-9:2017(E)
Figure B.3 — Procedure for predominant other than 1× rotational speed (first part)
© ISO 2017 – All rights reserved 13
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ISO 13373-9:2017(E)
Figure B.4 — Procedure for predominant other than 1× rotational speed (second part)
B.2 Methodology description
B.2.1 General
The recommended methodology is illustrated in Figures B.1 to B.4, which indicates that the diagnosis
[15]
of motor problems should consist of visual inspection, spectral analysis and resonance testing, as
being the main components of the vibration analysis of the installed motor. In addition, time waveform
analysis, phase analysis and operational deflection shape (ODS) analysis should be used if and when
judged necessary. It is important to also note the effects of cutting power to the motor, as indicated in
Table A.1, when analysing possible causes of excessive vibration.
B.2.2 Visual inspections
It is recommended that before any testing of installed motors is performed, a visual inspection of
the motor and the site be completed. For example, the presence of motor mounting or support base
looseness and/or piping strain would be evident to the naked eye. It is suggested that all motor and any
mounting base bolts be tightened before testing an installed machine. Also, all piping connections to
the motor should be checked before testing. All flanged connections to motor auxiliary systems such
as water supplies to coolers and separate oil lubrication systems should be checked to make sure that
connecting bolts pass through the flanges without any restriction, thus causing no piping strain. Also,
since certain motor defects create specific types of noise
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 13373-9
Première édition
2017-10
Surveillance et diagnostic d'état
des machines — Surveillance des
vibrations —
Partie 9:
Techniques de diagnostic pour
moteurs électriques
Condition monitoring and diagnostics of machines — Vibration
condition monitoring —
Part 9: Diagnostic techniques for electric motors
Numéro de référence
ISO 13373-9:2017(F)
©
ISO 2017
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ISO 13373-9:2017(F)
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© ISO 2017, Publié en Suisse
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l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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ISO 13373-9:2017(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Mesures . 3
4.1 Mesure des vibrations . 3
4.2 Mesure des paramètres opérationnels de la machine . 3
5 Analyse initiale . 3
6 Analyse spécifique du moteur . 3
Annexe A (normative) Méthode systématique d'analyse du comportement vibratoire
des moteurs électriques . 5
Annexe B (informative) Méthodologie relative au diagnostic vibratoire des défauts des
moteurs électriques .12
Annexe C (informative) Exemples de problèmes vibratoires dans les moteurs électriques.20
Bibliographie .26
© ISO 2017 – Tous droits réservés iii
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ISO 13373-9:2017(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 nature volontaire des normes, 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’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www.iso.org/iso/fr/avant-propos.html.
Le présent document a été élaboré 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.
Une liste de toutes les parties de la série ISO 13373 est disponible sur le site Internet de l’ISO.
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ISO 13373-9:2017(F)
Introduction
Le présent document a été élaboré pour servir de ligne directrice concernant les modes opératoires à
envisager lors des diagnostics des comportements vibratoires des moteurs électriques. Il est destiné
à être utilisé par les professionnels, les ingénieurs et les techniciens du domaine des vibrations et il
leur fournit des outils de diagnostic utiles. Ces outils comportent des organigrammes de diagnostic, des
tableaux de processus et des tableaux de défauts. Le contenu du présent document présente les mesures
les plus fondamentales, logiques et intelligentes qu'il convient de prendre dans le cadre du diagnostic
des problèmes de vibrations liés à ces types particuliers de machines.
Les séries de Normes internationales ISO 7919 (arbres tournants), ISO 10816 (parties non tournantes)
et ISO 20816 (arbres tournants et parties non tournantes) spécifient les zones et vibrations acceptables
pour divers types et tailles de machines, depuis les machines neuves et en bon état de fonctionnement
jusqu'aux machines menacées de défaillance.
L'ISO 13373-1 présente les modes opératoires de base pour l'analyse des signaux vibratoires à bande
étroite. Elle inclut les types de capteurs utilisés, leurs plages et les emplacements recommandés sur les
divers types de machines, la surveillance des systèmes vibratoires en ligne et périodiques, ainsi que les
problèmes éventuels de l'équipement.
L'ISO 13373-2 présente des descriptions de l'équipement de conditionnement des signaux requis, les
techniques relatives aux domaines fréquentiel et temporel, et les formes d'ondes et signatures qui
représentent les phénomènes de fonctionnement les plus courants des machines ou les défauts des
machines que l'on rencontre lorsqu'on effectue une analyse des signatures vibratoires.
L'ISO 13373-3 fournit des modes opératoires permettant de déterminer les causes des problèmes
vibratoires communs à tous les types de machines tournantes. Elle inclut des méthodes systématiques
de caractérisation des effets vibratoires, les outils de diagnostic disponibles, les outils nécessaires à des
applications particulières et des recommandations sur la façon d'appliquer les outils à différents types
de machines et différents composants. Cependant, elle n'exclut pas l'utilisation d'autres techniques de
diagnostic.
Il convient de noter que l'ISO 17359 précise que le diagnostic
— peut être déclenché à l'issue de la détection d'une anomalie au cours de la surveillance, ou
— peut être réalisé de façon synchrone avec la surveillance, dès le début, de celle-ci.
Le présent document ne traite que de la première option, à savoir la réalisation du diagnostic à l'issue de
la détection d'une anomalie. En outre, le présent document se focalise principalement sur l'utilisation
d'organigrammes et de tableaux de processus au titre d'outils de diagnostic, ainsi que sur des tableaux
de défauts, puisque l'on considère que ce sont les outils les plus appropriés pour les professionnels, les
ingénieurs et les techniciens du domaine concerné.
La méthodologie basée sur l'utilisation d'organigrammes et de tableaux de processus propose un mode
opératoire structuré permettant à un professionnel du domaine concerné de diagnostiquer un défaut et
de trouver sa cause. Il convient que ce mode opératoire pas-à-pas soit à même de guider le professionnel
dans le diagnostic vibratoire des anomalies de la machine, afin d'identifier la cause à l'origine de cette
anomalie.
Le tableau des défauts présente une liste des défauts les plus répandus sur les machines, ainsi que
leurs manifestations dans les données vibratoires. Lorsqu'ils sont utilisés avec les organigrammes, les
tableaux permettent d'identifier les défauts des machines.
Lorsqu'il s'agit d'aborder un problème de machines se manifestant sous forme d'un signal vibratoire
élevé ou erratique, il convient de procéder au diagnostic d'une manière systématique et réfléchie.
Le présent document associé à l'ISO 13373-3 réalise cet objectif en fournissant à l'analyste des
recommandations sur la sélection des outils de mesure et des outils d'analyse adaptés, ainsi que sur leur
utilisation, et les modes opératoires préconisés présentés sous forme de pas-à-pas pour le diagnostic
des problèmes associés aux divers types de moteurs électriques.
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NORME INTERNATIONALE ISO 13373-9:2017(F)
Surveillance et diagnostic d'état des machines —
Surveillance des vibrations —
Partie 9:
Techniques de diagnostic pour moteurs électriques
1 Domaine d'application
Le présent document spécifie les modes opératoires à envisager lors du diagnostic du comportement
vibratoire de divers types de moteurs électriques. Les quatre types de moteurs traités par le présent
document sont: les moteurs à induction à cage d'écureuil, les moteurs à induction à rotor bobiné, les
moteurs à pôles saillants et les moteurs à courant continu.
NOTE Les deux premiers types de moteurs sont définis dans l'ISO 20958.
Le présent document s’applique principalement aux moteurs d’une puissance supérieure à 15 kW.
Le présent document est destiné aux professionnels, aux ingénieurs et aux techniciens assurant la
surveillance de l'état des machines et donne une méthode pratique basée sur les vibrations, détaillée
pas-à-pas, pour établir le diagnostic des défauts. En outre, il présente un certain nombre d'exemples
couvrant divers types de machines et de composants, et les symptômes des défauts qui leur sont
associés.
Les modes opératoires proposés dans le présent document peuvent, dans certains cas, s'appliquer à
d'autres types de machines électriques, par exemples des alternateurs, mais il peut exister d'autres
techniques spécifiques associés aux dites machines qui ne figurent pas dans le présent document.
Le domaine d’application du présent document couvre l'utilisation de grandeurs non vibratoires,
comme la tension et le courant, pour déterminer et analyser les défauts des moteurs électriques liés aux
vibrations.
2 Références normatives
Les documents suivants cités dans le texte constituent, pour tout ou partie de leur contenu, des
exigences 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, Vibrations et chocs mécaniques, et leur surveillanceVocabulaire
ISO 13372, Surveillance et diagnostic de l'état des machines — Vocabulaire
ISO 20958, Surveillance et diagnostic des systèmes de machines — Analyse de la signature électrique des
moteurs triphasés à induction
ISO 21940-2, Vibrations mécaniques — Équilibrage des rotors — Partie 2: Vocabulaire
IEC 60050, Vocabulaire Electrotechnique International
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 2041, l'ISO 13372,
l'ISO 20958, l’ISO 21940-2 et l’IEC 60050 ainsi que les suivants s’appliquent.
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ISO 13373-9:2017(F)
L'ISO et l'IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— IEC Electropedia: disponible à l'adresse http://www.electropedia.org/
— ISO Online browsing platform: disponible à l'adresse http://www.iso.org/obp
3.1
armature cc
arbre comportant un noyau stratifié à encoches, dans lequel se trouve une bobine à deux couches, reliée
à un commutateur alimenté en courant continu par les balais
3.2
rotor à pôles saillants
arbre pourvu de pôles solides ou stratifiés ayant chacun une bobine
Note 1 à l'article: Les bobines des pôles sont reliées entre elles et à des bagues ou à un excitateur sans balais à
partir desquels est transmis le courant continu requis.
3.3
fréquence de l’alimentation
fréquence de l'alimentation en énergie raccordée aux moteurs à courant alternatif
Note 1 à l'article: La fréquence d'alimentation est également appelée «fréquence du réseau».
3.4
fréquence de glissement
différence entre les fréquences de la vitesse de rotation synchrone et de la
vitesse de rotation du rotor
3.5
nombre de pôles du stator
nombre défini par la relation suivante:
2 n
syn
60 f
supp
où
n est la vitesse de rotation synchrone, en tr/min;
syn
f est la fréquence de l'alimentation, en Hz
supp
Note 1 à l'article: Le nombre de paires de pôles correspond au nombre de pôles divisé par 2.
3.6
fréquence de passage des pôles
fréquence de glissement du rotor multipliée par le nombre de pôles
3.7
fréquence de passage des encoches du stator
nombre d'encoches du stator multiplié par la vitesse de rotation du rotor
3.8
fréquence de passage des encoches du rotor
nombre d'encoches du rotor multiplié par la vitesse de rotation du rotor
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ISO 13373-9:2017(F)
3.9
fréquence de passage des barres du rotor
nombre de barres d'un rotor à cage d'écureuil multiplié par la vitesse de rotation du rotor
4 Mesures
4.1 Mesure des vibrations
La mesure des vibrations peut être réalisée à l'aide de deux catégories principales de capteurs:
— capteurs sans contact, par exemple capteur inductifs, capacitifs et de courant de Foucault utilisés
sur les arbres rotatifs;
— capteur sismiques, par exemple accéléromètres ou capteurs de vitesse utilisés dans les parties non
tournantes, comme les supports de paliers.
Des Normes internationales sont disponibles pour faciliter l'évaluation de la sévérité vibratoire
concernant ces types de mesures décrits, en particulier l'ISO 7919, l'ISO 10816 et l’ISO 20816.
Il est important de reconnaitre qu'il convient d'utiliser, pour le diagnostic des défauts, le système de
capteur, de conditionnement des signaux, de mesure et d'analyse approprié en tenant compte des
situations spécifiques aux moteurs électriques. Par exemple, pour détecter les problèmes de barres d'un
rotor, l'utilisation de la haute résolution spectrale est exigée pour détecter la fréquence de glissement.
Dans nombre de cas, il est requis de tenir compte de la mise à la terre et du champ électrique de la
machine avant de prendre toute mesure.
L'ISO 13373-1 et l'ISO 13373-2, qui doivent être considérées comme choix approprié, fournissent la
description des systèmes de capteurs et de mesure ainsi que la spécification des techniques.
4.2 Mesure des paramètres opérationnels de la machine
Ce sont les paramètres opérationnels, par exemple la vitesse de rotation, la charge, l'orientation du
moteur (verticale ou horizontale), la configuration du montage (dispositif de support solide ou flexible)
et les températures qui peuvent influer sur les caractéristiques vibratoires de la machine: il est donc
important d'en avoir connaissance pour parvenir à un diagnostic approprié. Pour une machine donnée,
ces paramètres peuvent être associés à diverses conditions de fonctionnement stables et transitoires.
5 Analyse initiale
Il convient de procéder à une analyse initiale en utilisant les lignes directrices fournies dans
l'ISO 13373-3:2015, Annexe A. Il convient que cette analyse détermine les problèmes liés à la sécurité,
la présence de vibrations élevées et, dans ce cas, la sévérité vibratoire, l'historique, les effets des
paramètres de fonctionnement, les conséquences résultant de l'absence d'actions correctives et la
nécessité d'un arrêt du moteur. Il convient également de prendre en compte lors d'une analyse initiale
d'autres facteurs tels que la configuration de montage du moteur, le comportement vibratoire de la
machine entraînée, sa position par rapport aux autres machines tournantes, la structure du bâtiment,
l'environnement, etc. Voir également l'ISO 13373-3:2015, Annexes B à D, pour les défauts courants
résultant de l'installation et les défauts des paliers.
6 Analyse spécifique du moteur
Les moteurs électriques sont utilisés pour entraîner de nombreuses applications industrielles,
comme les pompes, les ventilateurs et les compresseurs. Le présent document traite des informations
de diagnostic du comportement vibratoire concernant les types les plus courants de moteurs
électriques. Les symptômes des défauts les plus répandus qui provoquent des amplitudes vibratoires
excessives sont indiqués à l'Annexe A qui doit être considérée. Cependant, l'Annexe A ne couvre pas
les comportements vibratoires des moteurs résultant de problèmes de montage présentant du jeu,
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ISO 13373-9:2017(F)
des paliers hydrodynamiques ou des paliers à roulement qui sont traités respectivement dans les
Annexes B, C et D de l'ISO 13373-3:2015.
La méthodologie relative au diagnostic vibratoire des défauts des moteurs électriques est donnée par
l’Annexe B, alors que les études de cas illustrant la méthodologie sont fournies dans l’Annexe C. Les
techniques utilisées dans le diagnostic vibratoire des moteurs électriques comprennent les inspections
visuelles, les amplitudes vibratoires, l’analyse spectrale, l’analyse de forme d’onde temporelle, l’analyse de
phase et l’analyse de déformée en fonctionnement (ODS). L’utilisation de ces techniques est décrite en B.2.
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ISO 13373-9:2017(F)
Annexe A
(normative)
Méthode systématique d'analyse du comportement vibratoire
des moteurs électriques
La méthode systématique d'analyse du comportement vibratoire des moteurs électriques est fournie
dans le tableau des défauts dans le Tableau A.1.
NOTE Les Références [15] et [16] de la Bibliographie traitent des principaux éléments de la théorie
démontrant que des défauts spécifiques peuvent être identifiés à l'aide de fréquences vibratoires données et
d'autres caractéristiques.
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Tableau A.1 — Tableau des défauts relatifs à l'analyse du comportement vibratoire des moteurs électriques
Composante
Conditions
de fréquence
du mesurage Vitesse de Comportement
principale Effet sur Effet de
induisant une variation initiale ultérieur de
Défaut de l’amplitude la vitesse la coupure Répétabilité Commentaires
modification du de l'amplitude la vibration
vibratoire critique d'alimentation
comportement vibratoire dans le temps
modifiée et
vibratoire
angles de phase
Bobines En général, Vitesse de (Nombre de Les amplitudes Aucun Chute Oui Peu probable que
du stator se développe variation lente bobines du stator) augmentent dans immédiate des cela se produise
présentant progressivement multiplié par le temps amplitudes si l’imprégna-
du jeu dans le temps (vitesse de rota- vibratoires tion globale des
(moteurs tion à 1×) avec bobines du stator
synchrones) bandes latérales est réalisée sous
à la vitesse de vide
rotation à 1×
Torsion du Généralement Vitesse de Principale- Si due à une Aucun Une première Les ampli- Peut être
bout d'arbre après défaillance variation rapide ment vitesse de charge radiale chute de la tudes peuvent confirmé par la
de la machine rotation à 1×, élevée sur les composante de varier en mesure sur le
entraînée ou en mais présente bouts d'arbre, la fréquence fonction de la bout d'arbre de
cas de charge une fréquence peut augmenter d'alimentation charge et de la l'excentricité
radiale élevée d'alimentation dans le temps et à 2×, qui température totale présentée
à 2× et modula- varier en fonction ensuite aug-
tion de celle-ci à de la charge mente
la fréquence de avec le temps
glissement à 2×
dans les moteurs
bipolaires à cage
d'écureuil si la
flexion de l'arbre
entraîne des
entrefers non
uniformes
Rotor Après installation Dépend de Fréquence axiale Peut varier Aucun Chute Les ampli- Amplitudes plus
s’éloignant du moteur ou l'éloignement élevée de la en fonction de immédiate des tudes peuvent grandes sur les
du centre réalignement du rotor par vitesse de rota- la charge amplitudes varier en moteurs pour-
magnétique axial avec rapport à tion à 1×, 2× ou vibratoires fonction de la vus de tuyaux de
la machine son centre 3× avec vibration charge et de la refroidissement
entraînée magnétique radiale nettement température radial sur
axial plus faible le stator et
le rotor
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Tableau A.1 (suite)
Composante
Conditions
de fréquence
du mesurage Vitesse de Comportement
principale Effet sur Effet de
induisant une variation initiale ultérieur de
Défaut de l’amplitude la vitesse la coupure Répétabilité Commentaires
modification du de l'amplitude la vibration
vibratoire critique d'alimentation
comportement vibratoire dans le temps
modifiée et
vibratoire
angles de phase
Barres Après démarrage Lent si enroule- Fréquence élevée La vibration La réponse Chute Les vibrations Le moteur devien-
du rotor du moteur, sauf si ment des barres de la vitesse de augmentera s'il variera immédiate des augmenteront dra bruyant au
fissurées ou dues à des vides du rotor rotation à 1× avec se produit plus amplitudes s'il se produit démarrage et le
rompues dans les barres du bandes latérales à de ruptures des vibratoires plus temps de démar-
rotor injectées ± la fréquence de barres du rotor. de ruptures rage augmentera
glissement par le Développement des barres en raison de la
nombre de pôles. également d'un du rotor réduction du
Harmoniques balourd et d'une couple moteur.
également de vibration en Peut en général
ces fréquences. raison du cintrage être confirmé
L'amplitude vibra- thermique par l'analyse
toire peut varier de la signature
à la fréquence en cours et les
de glissement bandes latérales
multipliée par le de la fréquence
nombre de pôles de glissement à
et augmenter avec 2× aux environs
la charge. Peut de la fréquence
aussi être une d'alimentation
vibration axiale
de la vitesse de
rotation à 4×
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Tableau A.1 (suite)
Composante
Conditions
de fréquence
du mesurage Vitesse de Comportement
principale Effet sur Effet de
induisant une variation initiale ultérieur de
Défaut de l’amplitude la vitesse la coupure Répétabilité Commentaires
modification du de l'amplitude la vibration
vibratoire critique d'alimentation
comportement vibratoire dans le temps
modifiée et
vibratoire
angles de phase
Jeu dans Sauf si les barres En ce qui Bandes latérales Les amplitudes Varie en fonc- Les fréquences Oui Un jeu excessif
les barres présentaient concerne le déve- de la fréquence vibratoires tion de de passage et un cintrage
du rotor déjà un jeu dès loppement du d'alimentation augmenteront la charge des encoches thermique du
la fabrication, ce jeu en conditions à 2× sur les dans le temps et du rotor rotor peuvent
jeu commencera de fonctionne- composantes pourront varier disparaîtront causer un balourd
à se développer ment, la vitesse des fréquences si plus de barres immédiate- mécanique dans
quelque temps de variation sera de passage des présentent du jeu ment. les moteurs à
après la mise en lente encoches du rotor La composante vitesses plus
service du moteur à 1×, 2× ou 3× fréquentielle grandes du
de l'effet de moteur
balourd peut
soudainement
disparaître
à une vitesse
inférieure
Entrefers non Conditions de Peut se Fréquence Ne variera vrai- Non applicable Chute Oui Peut être dû à un
uniformes charge stabilisée développer d'alimentation à semblablement immédiate pied souple ou
lentement 2×, peut devoir pas dans le temps de l'amplitude flexible du stator,
dans le temps battre la vitesse ou en fonction de vibratoire parfois provoqué
de rotation à 2× la charge par un défaut
dans les moteurs d'alignement
bipolaires
Tensions Conditions de Dépend de Fréquence Les amplitudes Non applicable Chute rapide, Peut ne pas Le déséquilibre
d’alimentation charge stabilisée l'importance d'alimentation vibratoires aug- sauf s'il y a une se reproduire de tension peut
déséquili- du déséquilibre radiale à 2×, avec menteront vitesse critique si dû à un provenir d'un
brées de tension bandes latérales en fonction en dessous de raccordement déséquilibre de
de la fréquence du déséquilibre la vitesse de présentant l'alimentation ou
d'alimentation à de tension rotation du jeu d'un raccorde-
1/3× et peut-être ment aux bornes
un battement du moteur
de l’amplitude présentant
du jeu
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Tableau A.1 (suite)
Composante
Conditions
de fréquence
du mesurage Vitesse de Comportement
principale Effet sur Effet de
induisant une variation initiale ultérieur de
Défaut de l’amplitude la vitesse la coupure Répétabilité Commentaires
modification du de l'amplitude la vibration
vibratoire critique d'alimentation
comportement vibratoire dans le temps
modifiée et
vibratoire
angles de phase
Fissuration Conditions de Lente au début Principalement La composante La fréquence Peut être une Peut ne pas Les variations
de l'arbre charge stabilisée radiale à 1× plus à 1× augmente peut diminuer chute initiale se répéter de la vibration
du rotor 2×, 3×, axialité en de façon expo- et se scinder due à la perte à l'état stable
fonction du type nentielle dans le en deux crêtes d'attraction peuvent être
de fissure temps, alors que magnétique insignifiantes.
les amplitudes entre le rotor De plus grandes
et les phases à et le stator amplitudes
2× deviennent puis décline peuvent être
instables lentement par évidentes lors
la suite de la décéléra-
tion aux vitesses
critiques, menant
à l’accélération du
dommage. Obser-
ver les tendances
des composantes
harmoniques des
vibrations. Com-
parer l'historique
de l'excentricité
à faible vitesse
et les variations
à 1× et certaines
caractéristiques
à 2×
Proximité Conditions de Immédiatement Vitesse de Ne variera vrai- Non applicable Chute rapide, Oui Pour détecter
de la vitesse fonctionnement évidente rotation semblablement sauf s'il y a une ce problème, le
critique du normales, mais principalement pas dans le temps vitesse critique mieux est de pro-
rotor et de peut traverser la radiale à 1× en dessous céder à
la vitesse de vitesse critique de la vitesse des mesures
fonctionne- au démarrage de rotation du déplacement
ment de l'arbre
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...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.