Equilibrage d'un ventilateur (1) - Cours de Mécanique industrielle avec Maxicours

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Equilibrage d'un ventilateur (1)

Toute usine est équipée de ventilateurs industriels dont les applications sont très variées. En effet, les ventilateurs sont utilisés pour la circulation de l'air en général, mais aussi pour des tâches spécifiques comme:

  • l'évacuation de la vapeur d'eau des séchoirs d'une machine à papier,
  • pour le transport de produits de toutes sortes ou encore,
  • pour accroître la protection de la santé du personnel par l'évacuation de l'air vicié des zones de travail.

En parcourant cette étude, vous vous familiariserez d'abord avec les causes de vibrations dans les ventilateurs. Il sera ensuite question de quelques aspects pratiques touchant au balourd, au choix de la méthode d'équilibrage et des masses d'essai, à leur position sur le rotor et à la correction du déséquilibre.

Vous compléterez votre apprentissage par l'étude des procédures d'équilibrage propres aux rotors en porte-à-faux.

1. Vibrations dans les ventilateurs

Les ventilateurs sont sujets aux vibrations principalement à cause de la faible rigidité de leur structure combinée avec des vitesses de fonctionnement élevées.

Les vibrations d'origine "aérodynamique" et "mécanique" sont les plus susceptibles de causer des problèmes.

a. Vibration aérodynamique

La vibration aérodynamique est liée à l'opération du système, c'est-à-dire qu'elle pourrait disparaître ou être grandement affectée à la suite d'une variation importante du volume d'air passant au travers du système.

Vous trouverez les causes à l'origine de ce type de vibration dans une conception déficiente du système de ventilation, un choix inapproprié dans la sélection du ventilateur ou encore des conduites de ventilation qui s'avèrent problématiques, surtout à l'entrée du ventilateur.

Si la vibration demeure inchangée quel que soit le volume d'air circulant dans le système, il est alors plus que probable que l'origine de la vibration soit de nature mécanique.

b. Vibration mécanique

La vibration la plus destructrice dans un ventilateur est attribuée (vous vous en doutez, n'est-ce pas ?) au déséquilibre du rotor. Eh oui ! On y revient toujours. Eh non ! Vous n'y échapperez pas… C'est pourquoi vous devez vérifier principalement la condition du rotor, l'état des courroies ainsi que l'intégrité des structures du rotor et de la machine en entier avant de procéder à l'équilibrage du ventilateur.

En effet, tous ces paramètres sont susceptibles de causer une vibration élevée à la vitesse de rotation.

c. Condition du rotor

Vous seriez surpris ou surprise de l'importance du déséquilibre causé par une fine couche de saleté. En pratique, vous devrez en tout temps vous assurer de la propreté du rotor avant d'entreprendre une tâche d'équilibrage. Au besoin, vous utiliserez un solvant, une brosse métallique, ou encore, un grattoir pour nettoyer le rotor.

La méthode choisie variera selon la nature des dépôts. La pose d'une porte d'accès (figure suivante) est par ailleurs souvent indispensable pour assurer le nettoyage complet du rotor. Quand le rotor est propre, mesurez la vibration résiduelle ; il est possible que l'amplitude mesurée soit alors à l'intérieur des limites acceptables.

Porte d'accès sur un ventilateur :

Vous éviterez d'équilibrer un ventilateur encrassé, même si l'économie de temps réalisée alors peut sembler attrayante. Pourquoi ? D'abord parce qu'un ventilateur ne fonctionnera pas efficacement si l'écoulement de l'air est perturbé par l'encrassement des pales.

De plus, une partie des dépôts peut se détacher après l'équilibrage, ce qui aura pour conséquence le retour d'une vibration élevée à la vitesse de rotation et un équilibrage à reprendre.

d. Entraînement par courroies

Le mauvais alignement des poulies produit non seulement une vibration indésirable, mais conduit également à une usure précoce des poulies et des courroies. La figure suivante vous montre un défaut d'alignement commun aux ventilateurs.

L'amplitude de la vibration dans la direction axiale est alors supérieure à 50 % comparée à la vibration la plus élevée mesurée dans la direction radiale. Vous utiliserez la mesure de l'angle de phase pour confirmer au besoin votre diagnostic.

Problèmes avec l'entraînement par courroies :

Une autre source d'usure prématurée des éléments de transmission provient de la vibration causée par une tension inégale des courroies. Il s'agit d'une condition trop souvent négligée (figure ci-dessus) qui peut avoir pour conséquence une réduction de 10 à 20 % de la vitesse du ventilateur. L'efficacité du ventilateur s'en trouve réduite et la nouvelle vitesse de fonctionnement pourrait coïncider avec l'une des fréquences naturelles de la machine, ce qui est une situation à éviter à tout prix.
e. Sens de rotation inversé

La figure suivante vous montre un ventilateur centrifuge qui tourne à l'envers. Cette condition ne l'empêchera pas de déplacer de l'air. Cependant, certains modèles ne pourront fonctionner très longtemps avec un sens de rotation inversé, car la puissance requise dépassera alors la capacité du moteur ; les circuits de protection arrêteront le moteur avant que celui-ci ne surchauffe et ne s'endommage.

Par contre, d'autres modèles peuvent fonctionner à l'envers pendant plusieurs années avant d'être détectés.

Sens de rotation inversé d'un ventilateur :

f. Intégrité de la structure

La présence d'un phénomène de résonance sur un ventilateur rend pratiquement impossible toute tâche d'équilibrage, du moins à l'intérieur de limites acceptables. L'exemple suivant démontre les difficultés que vous pourriez alors rencontrer.

L'inspection de la structure du ventilateur montré à la figure ci-dessous a révélé une fissure sur l'un de ses supports. Lors de l'équilibrage, la mesure de phase était très instable et l'emploi de la masse d'essai de 150 g habituellement utilisée pour ce rotor de 1,5 m de diamètre conduisait à des amplitudes vibratoires anormalement élevées.

La cause ? La fissure dans la structure a créé un phénomène de résonance en basse fréquence, à la suite de l'apparition d'une fréquence naturelle près de la fréquence de la vitesse de rotation du rotor. La solution ? La réparation de la fissure et l'ajout de renforts supplémentaires.

Après correction, le personnel de maintenance procéda sans aucune difficulté à l'équilibrage du ventilateur.

Exemple de défaut dans la structure d'un ventilateur :

2. Aspects pratiques de l'équilibrage d'un ventilateur

Vous équilibrerez les rotors de ventilateurs en suivant les mêmes procédures que celles que vous avez apprises dans les méthodes d'équilibrage. Malgré tout, il existe bien quelques points où des précisions supplémentaires pourraient vous être utiles dans vos tâches d'équilibrage sur ce type de machines tournantes.

a. Condition de déséquilibre

S'agit-il bien d'un déséquilibre ? C'est une question toute simple à laquelle, vous devriez le savoir maintenant plus que jamais, il est absolument nécessaire que vous répondiez avant d'entreprendre l'équilibrage d'un ventilateur.

L'analyse en fréquences du signal vibratoire détermine si une vibration élevée coïncide avec la vitesse du rotor ; si c'est le cas, cette vibration est "probablement" due à un balourd. Trop souvent, il arrive que du personnel, parfois très expérimenté, ne pousse plus loin leur investigation avant de procéder à l'équilibrage du rotor. Il en sera autrement avec vous.

En effet, les connaissances acquisesdans la partie sur l'analyse des vibrations vous ont appris que "probablement" signifie qu'il peut également s'agir d'un défaut d'alignement, d'un arbre fléchi, d'un phénomène de résonance, voire d'un jeu mécanique ou encore d'un problème de poulie excentrique.

C'est pourquoi vous procéderez toujours à une analyse de phases avant de confirmer qu'il s'agit bel et bien d'une condition de déséquilibre. La composante de la vibration mesurée dans la direction horizontale présentera alors un déphasage de 90° avec celle mesurée dans la direction verticale sur le même palier.

b. Choix de la méthode d'équilibrage

Il n'est pas essentiel d'être capable de reconnaître si la condition de déséquilibre identifiée plus tôt est statique, de couple ou dynamique. Vous aurez tout de même à déterminer si l'équilibrage se fera selon la méthode sur un plan ou sur deux plans.

Dans la pratique courante, le nombre de plans de correction pour l'équilibrage est basé sur le rapport donné par la longueur du rotor/divisée par son diamètre d. Vous prendrez bonne note que le rapport l/d se calcule en utilisant les dimensions du rotor seul en excluant l'arbre de support.

Le tableau présenté à la figure 4.38 indique que pour les rapports l/d inférieurs à 0,5, l'équilibrage sur un seul plan est jugé suffisant en considérant des vitesses de fonctionnement ne dépassant pas 1 000 tr/min.

Au-delà de 1 000 tr/min, l'équilibrage sur deux plans est recommandé. Pour les rapports l/d supérieurs à 0,5, l'équilibrage sur deux plans est normalement recommandé pour des vitesses de fonctionnement au-delà de 150 tr/min.

Sélection de la méthode d'équilibrage (un plan ou deux plans) :

c. Choix des masses d'essai
Le calcul d'une masse d'essai appropriée est fonction du degré de qualité recherché et d'une évaluation adéquate de la masse du rotor. Vous trouverez ici des remarques pertinentes aux ventilateurs.
d. Degré de qualité d'équilibrage

La norme Iso suggère un degré de qualité d'équilibrage G6,3 pour les ventilateurs en général. En pratique, pour les ventilateurs de catégorie industrielle, un degré G6,3 peut être atteint sans trop de difficultés.

 

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