Phénomène de déséquilibre et équilibrage (2) - Cours de Mécanique industrielle avec Maxicours

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Phénomène de déséquilibre et équilibrage (2)

1. Introduction à l'équilibrage
a. Équilibrage

L'équilibrage est le procédé par lequel on tente d'améliorer la répartition de la masse d'un rotor de façon que le rotor tourne dans ses paliers sans créer de forces centrifuges non compensées. L'équilibrage des rotors contribue à prolonger la vie utile des équipements.

Il peut être réalisé sur une machine à équilibrer (fixe) ou encore à l'aide d'un analyseur de vibrations (portatif).

b. Importance de l'équilibrage

Les vibrations produites par un rotor déséquilibré créent une surcharge sur les paliers et sur la structure de la machine en général. L'équilibrage du rotor s'avère nécessaire pour éviter une ou plusieurs des situations suivantes :

• une diminution de la vie utile de la machine, de la durée de vie des roulements et de l'intégrité de la structure ;

 un accroissement de la fréquence des entretiens requis par la machine ;

 une production de moins bonne qualité par les équipements tels que les machines-outils et les rectifieuses, les machines à papier, les laminoires, etc ;

 une détérioration de la qualité de vie au travail en ce qui a trait au bruit, à la sécurité et au confort (vibrations transmises au corps par le plancher par exemple).

L'équilibrage ne doit surtout pas se limiter aux seules machines dont la condition de déséquilibre est telle qu'il y a imminence de bris. En effet, le tableau de la figure suivante révèle combien le déséquilibre, même faible, peut être un facteur déterminant dans la réduction de la durée de vie des roulements.

Déséquilibre et durée de vie des roulements :

2. Équilibrage "en atelier"

L'équilibrage "en atelier" signifie que les rotors sont équilibrés avant leur sortie de l'usine ou de l'atelier de réparation. En usine, l'équilibrage en série de rotors ou de pièces tournantes peut très bien faire partie intégrante du processus de production.

Il est alors rentable d'automatiser le plus possible l'opération d'équilibrage. Cette tâche convient tout à fait à une machine à équilibrer installée à demeure, comme celle montrée à la figure suivante. De telles machines sont aussi requises pour l'équilibrage des rotors de turbines à vapeur, de pompes, de compresseurs industriels, de rotors de turbines à gaz d'avion, etc.

Machine à équilibrer (fixe) :

3. Équilibrage in situ (ou sur le terrain)

L'équilibrage d'un rotor tournant sur ses propres paliers, sans être démonté, est appelé équilibrage in situ. Il s'agit de la méthode d'équilibrage la plus pratiquée par le personnel de maintenance. En effet, l'équilibrage des rotors "sur le terrain" offre de nombreux avantages par rapport à l'équilibrage "en atelier" :

• le rotor est équilibré dans des conditions de fonctionnement normales (charge, température, vitesse, etc.) ;

 le démontage, le réassemblage et le réalignement ne sont pas nécessaires ;

 les temps d'arrêt sont considérablement réduits.

L'information nécessaire pour réaliser l'équilibrage provient des mesures de vibrations des paliers causées par le déséquilibre du rotor. Les valeurs obtenues servent au calcul de la masse de correction requise pour réduire le déséquilibre et les vibrations qui en résultent.

Les mesures sont effectuées au moyen d'un appareillage portatif incluant au minimum un analyseur de vibrations, un accéléromètre, une sonde photo-électrique et un programme d'équilibrage. Le programme d'équilibrage est d'ailleurs souvent intégré au logiciel d'opération de l'analyseur. Vous pouvez voir un exemple de l'appareillage requis à la figure ci-dessous.

Appareillage pour l'équilibrage in situ des rotors :

4. Qualité d'équilibrage - norme Iso 1940/1-1986

A l'aide des instruments de mesure disponibles de nos jours, le déséquilibre peut être réduit à de très faibles valeurs. Toutefois, il n'est pas économiquement et même techniquement justifiable de vouloir exagérer les exigences de qualité d'équilibrage. C'est pourquoi il est nécessaire de déterminer jusqu'à quel point il y a lieu de réduire le déséquilibre.

La norme internationale Iso 1940, "Vibrations mécaniques - Exigences en matière de qualité dans l'équilibrage des rotors rigides", donne des recommandations pour la détermination d'un balourd résiduel admissible et pour la spécification de degrés de la qualité d'équilibrage des rotors en fonction de leur type, de leur masse et de la vitesse de fonctionnement maximale.

a. Balourd résiduel admissible

Idéalement, une machine parfaitement équilibrée ne vibre pas. Mais dans la pratique, tout rotor, même après équilibrage, présente un balourd résiduel.

On appelle balourd résiduel admissible (Uadm) la valeur maximale du balourd sous laquelle le balourd résiduel est considéré comme acceptable. Plus la masse du rotor est importante, plus le balourd résiduel admissible est grand.

C'est pourquoi il existe un rapport entre le balourd résiduel admissible et la masse du rotor M en termes de balourd spécifique résiduel admissible (eadm) donné par l'équation eadm = Uadm/M. Le terme plus simple "balourd spécifique" sera aussi utilisé dans le but d'alléger le texte.

b. Degré de qualité d'équilibrage

L'expérience montre qu'en général, pour des rotors du même type, la valeur du balourd spécifique (eadm), varie inversement à la vitesse du rotor pour un degré de qualité d'équilibrage donné, selon la relation eadm  = degré de qualité, exprimé en millimètres par seconde.

Les degrés de qualité proposés par la norme Iso 1940 sont désignés en fonction du produit de cette relation, c'est-à-dire si le produit eadm est égal à 630 mm/s, le degré de qualité d'équilibrage est désigné "G630".

5. Classification des rotors

Pour différents types et grosseurs de machine, l'amplitude vibratoire considérée comme excessive varie considérablement. Par exemple, des vibrations acceptables pour un vilebrequin de moteur d'automobile détruiraient probablement un phonographe.

La figure suivante vous montre une partie de la classification des rotors telle qu'elle est proposée par la norme international Iso 1940. Cette classification associe à chaque type de rotor un degré de qualité d'équilibrage. Vous remarquerez que les degrés de qualité sont séparés entre eux par un facteur 2,5.

Il peut s'avérer nécessaire dans certain cas d'avoir une classification plus fine, surtout lorsqu'un équilibrage de haute de précision est requis.

Classification des rotors :

6. Détermination du balourd résiduel admissible

Le balourd spécifique (eadm) pour différents types de rotors peut être facilement déterminé à l'aide de l'abaque Iso. La figure 4.14 vous montre la version intégrale de l'abaque Iso. Les obliques de l'abaque représentent les degrés de qualité d'équilibrage.

La vitesse de rotation maximale du rotor, exprimée en Hz et en r/min, se retrouve en abscisse. Le balourd résiduel spécifique admissible (g · mm/kg) figure en ordonnée. Le balourd résiduel admissible est alors obtenu par le produit du balourd spécifique et de la masse du rotor, soit Uadm = eadm  M.

La première étape dans l'utilisation de la norme Iso consiste à classer le rotor. Prenez, par exemple, un rotor de ventilateur dont la vitesse maximale est de 50 Hz (3 000 tr/min). Un degré de qualité d'équilibrage de 6,3 est recommandé. La masse du rotor est de 50 kg. Pour employer l'abaque, vous procéderez comme suit (figure ci-après) :

1. Tracer une ligne verticale à partir de la vitesse de fonctionnement maximale du rotor jusqu'à la ligne oblique indiquant le degré du rotor.

2. Tracer une ligne horizontale à partir de l'intersection de la verticale et de l'oblique.

3. Lire le balourd résiduel spécifique admissible sur l'axe vertical ; dans cet exemple, eadm = 20 g · mm/kg.

4. Calculer ensuite le balourd résiduel à partir du balourd spécifique obtenu et de la masse du rotor ;

Uadm = 20 g · mm  50 kg = 1 000 g · mm.

Abaque Iso :

Pour répondre au degré de qualité d'équilibrage G6,3, le balourd résiduel sur le rotor ne doit pas dépasser 1 000 g · mm après équilibrage. Si on utilise plus d'un plan de correction, la valeur obtenue donne la valeur totale du balourd résiduel admissible et implique donc une répartition dans chaque plan de correction.

7. Répartition du balourd résiduel admissible

Pour les rotors rigides ayant deux plans de correction et un centre de gravité situé entre ces plans (figure suivante), le balourd spécifique calculé à partir de l'abaque Iso est réparti dans chaque plan de correction en rapport avec la distance qui les sépare du centre de gravité (hI, hII).

Rotor avec plans de correction situés entre les paliers :

Pour les rotors symétriques, c'est-à-dire ceux dont les plans de correction sont équidistants du centre de gravité du rotor (hI = hII), il faut répartir la moitié du balourd résiduel admissible (Uadm) dans chaque plan de correction de façon que UadmI = UadmII = Uadm/2.

Pour les rotors dont les plans de correction ne sont pas parfaitement équidistants du centre de gravité, il faut répartir le balourd résiduel admissible de la façon suivante :

UadmI = Uadm  hII/b ; UadmII = Uadm   hI/boù b = hI + hII. Le balourd le plus important est localisé dans le plan de correction le plus proche du centre de gravité.

8. Erreurs d'équilibrages dues aux instruments de mesure

Vous devez tenir compte des erreurs éventuelles provenant des inexactitudes inhérentes aux méthodes et aux instruments de mesure lorsque vous effectuez un équilibrage in situ. C'est pourquoi la norme Iso autorise dans ce cas précis une valeur du balourd résiduel admissible plus élevée pour les différents degrés de qualité d'équilibrage.

Le tableau de la figure suivante vous donne des exemples typiques d'écarts recommandés par la norme Iso 1940.

Exemples types d'écarts recommandés :

9. Lexique des termes de l'équilibrage

Vous avez sans doute constaté comment l'équilibrage, tout comme la vibration, possède un vocabulaire qui lui est propre. Vous retrouverez ici la définition des principaux termes concernant l'équilibrage des rotors. Plusieurs de ces définitions sont tirées de la norme internationale Iso 1925, "Vibrations mécaniques - Équilibrage - Vocabulaire", qui établit le vocabulaire de l'équilibrage.

• balourd, déséquilibre : condition d'un rotor dont les paliers vibrent sous l'effet de forces centrifuges non compensées. Cette condition existe lorsque le centre de gravité du rotor est hors de l'axe de l'arbre.

• balourd initial : balourd de tout type existant dans le rotor avant l'équilibrage ;

• balourd résiduel (final) : balourd de tout type qui subsiste après l'équilibrage.

• valeur du balourd "U" : mesure quantitative du balourd d'un rotor. Elle est obtenue en faisant le produit de la masse du balourd par le rayon de correction. Les unités de valeur du balourd sont les grammes · millimètres et les onces · pouces.

• balourd résiduel admissible "Uadm" : dans le cas de rotors rigides, il s'agit de la valeur maximale du balourd sous laquelle on considère le balourd comme acceptable.

• balourd spécifique "e" : valeur du balourd "U" divisée par la masse du rotor "M".

• déséquilibre statique : état de déséquilibre tel que l'axe principal d'inertie est uniquement déplacé parallèlement à l'axe de l'arbre.

• déséquilibre de couple : état de déséquilibre tel que l'axe principal d'inertie coupe l'axe de l'arbre au centre de gravité.

• déséquilibre dynamique : état de déséquilibre tel que l'axe principal d'inertie n'est ni parallèle ni ne coupe l'axe de l'arbre.

• équilibrage : méthode par laquelle la répartition de la masse d'un rotor est vérifiée et, au besoin, corrigée de façon à garantir que le balourd résiduel soit dans les limites spécifiées pour une fréquence correspondant à la vitesse de rotation du rotor.

• équilibrage dans un seul plan (statique) : méthode par laquelle la répartition de la masse d'un rotor rigide est réglée pour assurer que le balourd résiduel soit dans les limites spécifiées.

• équilibrage dans deux plans (dynamique) : méthode par laquelle la répartition de la masse d'un rotor rigide est corrigée pour assurer que le balourd dynamique résiduel soit dans les limites spécifiées.

 équilibrage in situ (sur le terrain) : équilibrage réalisé sur un rotor tournant sur ses propres paliers sans être démonté.

 qualité d'équilibrage : pour des rotors rigides, une mesure de classification qui est le produit du balourd spécifique par la vitesse maximale du rotor, exprimée en mm/s.

• limite acceptable : valeur maximale d'un paramètre lié au balourd sous laquelle la condition de déséquilibre d'un rotor est considérée comme acceptable.

• méthode de correction : méthode par laquelle la répartition de la masse d'un rotor est corrigée pour réduire le balourd ou les vibrations dues au balourd à une valeur acceptable. Les corrections sont habituellement effectuées par ajout ou suppression de matière au rotor.

• plan de correction (d'équilibrage) : plan perpendiculaire à l'axe de l'arbre d'un rotor dans lequel s'effectue la correction d'un balourd.

• plan d'essai : plan perpendiculaire à l'axe de l'arbre d'un rotor dans lequel on peut fixer des masses d'essai.

• masse d'essai "me" : masse définie avec précision et fixée à un rotor pour déterminer la réponse du rotor.

•  masse de correction : masse fixée à un rotor dans un plan de correction donné dans le but de réduire le balourd au niveau souhaité.

•  rotor : tout objet destiné à tourner, supporté sur des paliers et devant être équilibré.

•  rotor rigide : rotor dont le balourd peut être corrigé dans deux plans quelconques et dont le balourd résiduel est indépendant de la vitesse de rotation.

•  rotor parfaitement équilibré : rotor idéal ayant un balourd nul.

10. Résumé sur le phénomène de déséquilibre et équilibrage

 Les balourds sont l'une des causes principales des vibrations dans les machines tournantes.

• Un rotor déséquilibré crée une force centrifuge non compensée qui provoque la vibration du rotor et de ses paliers.

• Même les rotors qui ont une conception symétrique peuvent présenter un déséquilibre initial dû, par exemple, au manque d'homogénéité dans les matériaux ou à une méthode d'assemblage déficiente.

• Le type de déséquilibre rencontré le plus couramment est le déséquilibre dynamique qui est une combinaison d'un déséquilibre statique et d'un déséquilibre de couple.

• L'équilibrage est un procédé par lequel le déséquilibre est éliminé en mesurant les vibrations produites lorsque le rotor est en rotation et en calculant la masse de correction requise pour réduire le balourd et les vibrations qui en résultent.

• L'équilibrage est nécessaire parce que les vibrations des pièces tournantes peuvent, entre autres, réduire la durée de vie et la fiabilité des machines, en augmenter les coûts de maintenance et influencer le bon fonctionnement des machines voisines. Elles peuvent également être une source de bruit.

• La liste des degrés de qualité d'équilibrage pour différents types de rotor est donnée dans la norme Iso 1940.

• Le balourd résiduel admissible (Uadm) dans un rotor est fonction du degré de qualité choisi, de la vitesse maximale de fonctionnement et de la masse du rotor. Il peut être facilement déterminé à partir de l'abaque fourni dans la norme Iso.

Vous en connaissez maintenant davantage sur le phénomène mécanique appelé "déséquilibre". Vous savez également qu'il est possible au moyen de l'équilibrage des rotors de corriger ce défaut.

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