1. Introduction

(Pourquoi était-il nécessaire d'écrire cet ouvrage ?)

L'analyse de la structure de consommation des appareils d'équilibrage fabriqués par la société Kinematics (Vibromera) révèle qu'environ 301 000 unités sont achetées pour servir de systèmes stationnaires de mesure et de calcul pour les machines et/ou les bancs d'équilibrage. On peut identifier deux groupes de consommateurs (clients) de nos équipements.

Le premier groupe comprend les entreprises spécialisées dans la production en série de machines à équilibrer et leur vente à des clients externes. Ces entreprises emploient des spécialistes hautement qualifiés qui possèdent des connaissances approfondies et une grande expérience dans la conception, la fabrication et l'utilisation de divers types de machines à équilibrer. Les défis qui se posent dans les interactions avec ce groupe de consommateurs sont le plus souvent liés à l'adaptation de nos systèmes de mesure et de nos logiciels à des machines existantes ou nouvellement développées, sans aborder les questions de leur exécution structurelle.

Le second groupe est constitué de consommateurs qui développent et fabriquent des machines (stands) pour leurs propres besoins. Cette approche s'explique principalement par le désir des fabricants indépendants de réduire leurs propres coûts de production, qui, dans certains cas, peuvent être divisés par deux ou trois, voire plus. Ce groupe de consommateurs manque souvent d'expérience dans la création de machines et s'en remet généralement à son bon sens, aux informations disponibles sur l'internet et à tous les analogues disponibles pour son travail.

L'interaction avec ces machines soulève de nombreuses questions qui, outre des informations supplémentaires sur les systèmes de mesure des machines d'équilibrage, couvrent un large éventail de problèmes liés à l'exécution structurelle des machines, aux méthodes d'installation sur les fondations, à la sélection des entraînements, à l'obtention d'une précision d'équilibrage adéquate, etc.

Compte tenu de l'intérêt significatif manifesté par un grand nombre de nos consommateurs pour les questions relatives à la fabrication indépendante de machines d'équilibrage, les spécialistes de la LLC " Kinematics " (Vibromera) ont préparé une compilation de commentaires et de recommandations sur les questions les plus fréquemment posées.

2. Types de machines d'équilibrage (stands) et leurs caractéristiques de conception

Une machine d'équilibrage est un dispositif technologique conçu pour éliminer le déséquilibre statique ou dynamique des rotors à diverses fins. Elle comprend un mécanisme qui accélère le rotor équilibré à une fréquence de rotation spécifiée et un système de mesure et de calcul spécialisé qui détermine les masses et l'emplacement des contrepoids nécessaires pour compenser le déséquilibre du rotor.

La structure mécanique de la machine se compose généralement d'un bâti sur lequel sont installés des supports (paliers). Ces derniers servent à monter le produit équilibré (rotor) et comprennent un système d'entraînement permettant la rotation du rotor. Lors de l'équilibrage, effectué pendant la rotation du produit, les capteurs du système de mesure (dont le type dépend de la conception de la machine) enregistrent soit les vibrations des paliers, soit les forces qui s'y exercent.

Les données ainsi obtenues permettent de déterminer les masses et les lieux d'installation des poids correcteurs nécessaires pour compenser le déséquilibre.

Actuellement, deux types de machines d'équilibrage (stand) sont les plus répandus :

• Machines Soft Bearing (avec des supports flexibles) ;
• Machines à roulements durs (avec supports rigides).

2.1. Machines et supports à roulements souples

La caractéristique fondamentale des machines à équilibrer à palier souple (stands) est qu'elles ont des supports relativement flexibles, fabriqués sur la base de suspensions à ressorts, de chariots montés sur ressorts, de supports à ressorts plats ou cylindriques, etc. La fréquence propre de ces supports est au moins 2 à 3 fois inférieure à la fréquence de rotation du rotor équilibré qui y est monté. Un exemple classique de l'exécution structurelle des supports souples Soft Bearing est le support de la machine DB-50, dont une photographie est présentée à la figure 2.1.

Figure 2.1. Support de la machine à équilibrer modèle DB-50.

Comme le montre la figure 2.1, le cadre mobile (coulisseau) 2 est fixé aux montants fixes 1 du support par une suspension sur des ressorts en bande 3. Sous l'influence de la force centrifuge causée par le déséquilibre du rotor installé sur le support, le chariot (curseur) 2 peut effectuer des oscillations horizontales par rapport au poteau fixe 1, qui sont mesurées à l'aide d'un capteur de vibrations.

L'exécution structurelle de ce support permet d'obtenir une faible fréquence naturelle des oscillations du chariot, qui peut être de l'ordre de 1 à 2 Hz. Cela permet d'équilibrer le rotor sur une large gamme de fréquences de rotation, à partir de 200 tours/minute. Cette caractéristique, ainsi que la relative simplicité de fabrication de ces supports, rend cette conception attrayante pour un grand nombre de nos clients qui fabriquent des machines d'équilibrage pour leurs propres besoins à des fins diverses.

Figure 2.2. Support de palier souple de la machine d'équilibrage, fabriqué par " Polymer LTD ", Makhatchkala

La figure 2.2 présente la photographie d'une machine d'équilibrage à paliers souples, dont les supports sont constitués de ressorts de suspension. Cette machine a été fabriquée pour les besoins internes de l'entreprise " Polymer LTD " à Makhatchkala. Elle est conçue pour l'équilibrage des rouleaux utilisés dans la production de matériaux polymères.

Figure 2.3 présente une photographie d'une machine à équilibrer dotée d'une suspension à bande similaire pour le chariot, destinée à l'équilibrage d'outils spécialisés.

Figures 2.4.a et 2.4.b montrent des photos d'une machine Soft Bearing faite maison pour équilibrer les arbres de transmission, dont les supports sont également fabriqués à l'aide de ressorts de suspension en bande.

Figure 2.5 Cette photographie présente une machine à paliers souples conçue pour l'équilibrage des turbocompresseurs, dont les supports de chariots sont également suspendus par des ressorts à lames. La machine, réalisée pour l'usage privé d'A. Shahgunyan (Saint-Pétersbourg), est équipée du système de mesure " Balanset 1 ".

Selon le fabricant (voir Fig. 2.6), cette machine permet d'équilibrer des turbines dont le déséquilibre résiduel ne dépasse pas 0,2 g*mm.

Figure 2.3. Machine à paliers souples pour l'équilibrage d'outils avec suspension sur ressorts en bande

Figure 2.4.a. Machine à paliers souples pour l'équilibrage des arbres de transmission (machine assemblée)

Figure 2.4.b. Machine à palier souple pour l'équilibrage des arbres de transmission avec des supports de chariot suspendus à des ressorts en bande. (Support de l'axe principal avec suspension par bandes de ressort)

Figure 2.5. Machine à paliers souples pour l'équilibrage des turbocompresseurs avec supports sur ressorts en bande, fabriquée par A. Shahgunyan (Saint-Pétersbourg).

Figure 2.6. Capture d'écran du système de mesure ' Balanset 1 ' montrant les résultats de l'équilibrage du rotor de turbine sur la machine de A. Shahgunyan.

Outre la version classique des supports de machines d'équilibrage Soft Bearing évoquée ci-dessus, d'autres solutions structurelles se sont également répandues.

Figures 2.7 et 2.8 L'article présente des photographies de machines d'équilibrage pour arbres de transmission, dont les supports sont constitués de ressorts plats. Ces machines ont été fabriquées pour les besoins spécifiques de l'entreprise privée " Dergacheva " et de la SARL " Tatcardan " (" Kinetics-M ").

Les machines d'équilibrage à paliers souples dotées de tels supports sont souvent reproduites par des fabricants amateurs en raison de leur relative simplicité et de leur facilité de fabrication. Ces prototypes sont généralement des machines de la série VBRF de " K. Schenck " ou des machines similaires de fabrication locale.

Les machines illustrées aux figures 2.7 et 2.8 sont conçues pour équilibrer des arbres de transmission à deux, trois et quatre supports. Elles ont une construction similaire, y compris :

• un cadre de lit soudé 1, basé sur deux poutres en I reliées par des nervures transversales ;
• un support de broche fixe (avant) 2 ;
• un support de broche mobile (arrière) 3 ;
• un ou deux supports mobiles (intermédiaires) 4. Les supports 2 et 3 abritent les unités de broche 5 et 6, destinées au montage de l'arbre d'entraînement équilibré 7 sur la machine.

Figure 2.7. Machine à paliers souples pour l'équilibrage des arbres de transmission de l'entreprise privée " Dergacheva " avec supports sur ressorts plats (plaques)

Figure 2.8. Machine à paliers souples pour l'équilibrage des arbres de transmission par LLC " Tatcardan " (" Kinetics-M ") avec supports sur ressorts plats

Des capteurs de vibration 8 sont installés sur tous les supports et servent à mesurer les oscillations transversales des supports. La broche de tête 5, montée sur le support 2, est entraînée en rotation par un moteur électrique via une transmission par courroie.

Figures 2.9.a et 2.9.b montrer des photos du support de la machine à équilibrer, qui est basé sur des ressorts plats.

Figure 2.9. Support de machine à équilibrer à roulements souples avec ressorts plats

• a) Vue latérale ;
• b) Vue de face

Étant donné que les fabricants amateurs utilisent fréquemment de tels supports dans leurs conceptions, il est utile d'examiner plus en détail les caractéristiques de leur construction. Comme le montre la figure 2.9.a, ce support se compose de trois éléments principaux :

• Plaque de support inférieure 1 : Pour les supports intermédiaires ou les supports de broche arrière, la plaque inférieure est conçue comme un chariot qui peut se déplacer le long des guides du cadre.
• Plaque de support supérieure 2, sur lesquels sont montées les unités de support (supports de rouleaux 4, broches, paliers intermédiaires, etc.)
• Deux ressorts plats 3, reliant les plaques d'appui inférieures et supérieures.

Pour éviter le risque de vibrations accrues des supports pendant le fonctionnement, qui peuvent se produire lors de l'accélération ou de la décélération du rotor équilibré, les supports peuvent comporter un mécanisme de verrouillage (voir Fig. 2.9.b). Ce mécanisme consiste en un support rigide 5, qui peut être engagé par un verrou excentrique 6 relié à l'un des ressorts plats du support. Lorsque le verrou 6 et le support 5 sont engagés, le support est verrouillé, ce qui élimine le risque d'augmentation des vibrations pendant l'accélération et la décélération.

Lors de la conception de supports constitués de ressorts plats, le fabricant de machines doit évaluer la fréquence de leurs oscillations naturelles, qui dépend de la rigidité des ressorts et de la masse du rotor équilibré. La connaissance de ce paramètre permet au concepteur de choisir consciemment la gamme des fréquences de rotation opérationnelles du rotor, en évitant le risque d'oscillations résonantes des supports pendant l'équilibrage.

Les recommandations pour le calcul et la détermination expérimentale des fréquences naturelles d'oscillation des supports, ainsi que d'autres composants des machines d'équilibrage, sont examinées à la section 3.

Comme indiqué précédemment, la simplicité et la facilité de fabrication de la conception du support utilisant des ressorts plats (à plaques) attirent les développeurs amateurs de machines d'équilibrage à des fins diverses, y compris des machines pour équilibrer des vilebrequins, des rotors de turbocompresseurs automobiles, etc.

À titre d'exemple, les figures 2.10.a et 2.10.b présentent un schéma général d'une machine conçue pour l'équilibrage des rotors de turbocompresseurs. Cette machine a été fabriquée et est utilisée en interne par la société SuraTurbo à Penza.

2.10.a. Machine à équilibrer les rotors de turbocompresseurs (vue latérale)

2.10.b. Machine à équilibrer les rotors de turbocompresseurs (vue du côté du support avant)

En plus des machines à équilibrer les roulements souples mentionnées précédemment, des supports de roulements souples relativement simples sont parfois créés. Ces bancs permettent un équilibrage de haute qualité des mécanismes rotatifs à des fins diverses, pour un coût minime.

Plusieurs supports de ce type sont présentés ci-dessous ; ils sont construits à partir d’une plaque (ou d’un cadre) plane reposant sur des ressorts de compression cylindriques. Ces ressorts sont généralement choisis de manière à ce que la fréquence propre d’oscillation de la plaque, sur laquelle est installé le mécanisme d’équilibrage, soit 2 à 3 fois inférieure à la fréquence de rotation du rotor de ce mécanisme pendant l’équilibrage.

Figure 2.11 montre une photographie d'un support pour l'équilibrage des meules abrasives, fabriqué pour la production interne par P. Asharin.

Figure 2.11. Support pour l'équilibrage des meules abrasives

Le stand se compose des principaux éléments suivants :

• Plaque 1monté sur quatre ressorts cylindriques 2 ;
• Moteur électrique 3dont le rotor sert également de broche, sur lequel est monté un mandrin 4 servant à installer et à fixer la meule abrasive sur la broche.

Une caractéristique clé de ce support est l'inclusion d'un capteur d'impulsions 5 pour l'angle de rotation du rotor du moteur électrique, qui est utilisé dans le cadre du système de mesure du support (" Balanceset 2C ") pour déterminer la position angulaire pour retirer la masse corrective de la meule abrasive.

Figure 2.12 La figure présente la photographie d'un support utilisé pour l'équilibrage des pompes à vide. Ce support a été développé sur commande par la SA " Measurement Plant ".

Figure 2.12. Support pour pompes à vide d'équilibrage de JSC " Measurement Plant "

La base de ce stand utilise également Plaque 1montés sur des ressorts cylindriques 2. Sur la plaque 1 est installée une pompe à vide 3, qui possède son propre entraînement électrique capable de varier les vitesses de 0 à 60 000 tours/minute. Des capteurs de vibrations 4 sont montés sur le corps de la pompe et sont utilisés pour mesurer les vibrations dans deux sections différentes à des hauteurs différentes.

Pour synchroniser la mesure des vibrations avec l'angle de rotation du rotor de la pompe, un capteur laser d'angle de phase 5 est utilisé sur le support. Malgré une conception extérieure apparemment simple, ce support permet un équilibrage de très haute qualité de la roue de la pompe.

Par exemple, à des fréquences de rotation sous-critiques, le balourd résiduel du rotor de la pompe satisfait aux exigences de la classe de qualité d'équilibrage G0.16 selon la norme ISO 1940-1-2007 " Vibrations. Exigences relatives à la qualité d'équilibrage des rotors rigides. Partie 1. Détermination du balourd admissible. "

La vibration résiduelle du corps de pompe obtenue lors de l'équilibrage à des vitesses de rotation allant jusqu'à 8 000 tr/min ne dépasse pas 0,01 mm/sec.

Les supports d'équilibrage fabriqués selon le schéma décrit ci-dessus sont également efficaces pour équilibrer d'autres mécanismes, tels que les ventilateurs. Les figures 2.13 et 2.14 montrent des exemples de supports conçus pour équilibrer des ventilateurs.

Figure 2.13. Support pour l'équilibrage des roues de ventilateur

La qualité de l'équilibrage des ventilateurs obtenue sur ces bancs d'équilibrage est très élevée. Selon les spécialistes de la société Atlant-project, sur le banc qu'ils ont conçu d'après les recommandations de la société Kinematics (voir figure 2.14), le niveau de vibration résiduelle atteint lors de l'équilibrage des ventilateurs était de 0,8 mm/s. Ce résultat est plus de trois fois inférieur à la tolérance fixée pour les ventilateurs de catégorie BV5 selon la norme ISO 31350-2007 " Vibrations. Ventilateurs industriels. Exigences relatives aux vibrations produites et à la qualité de l'équilibrage "."

Figure 2.14. Support pour l'équilibrage des turbines de ventilateurs d'équipements antidéflagrants, fabriqué par " Atlant-project " LLC, Podolsk

Des données similaires obtenues à la JSC " Lissant Fan Factory " montrent que de tels supports, utilisés dans la production en série de ventilateurs de conduit, ont systématiquement assuré une vibration résiduelle ne dépassant pas 0,1 mm/s.

2.2. Machines à paliers durs

Les machines à équilibrer à paliers durs diffèrent des machines à paliers souples décrites précédemment par la conception de leurs supports. Leurs supports se présentent sous la forme de plaques rigides dotées de fentes complexes (découpes). Les fréquences naturelles de ces supports dépassent largement (au moins 2 à 3 fois) la fréquence de rotation maximale du rotor équilibré sur la machine.

Les machines à paliers durs sont plus polyvalentes que les machines à paliers souples, car elles permettent généralement un équilibrage de haute qualité des rotors sur une plus large gamme de caractéristiques de masse et de dimensions. Un autre avantage important de ces machines est qu'elles permettent un équilibrage de haute précision des rotors à des vitesses de rotation relativement faibles, de l'ordre de 200 à 500 tours/minute, voire moins.

Figure 2.15 La figure 2.15 présente une photographie d'une machine d'équilibrage à paliers rigides typique, fabriquée par K. Schenk. On constate que les différentes parties du support, constituées de rainures complexes, présentent une rigidité variable. Sous l'effet des forces de balourd du rotor, certaines parties du support peuvent se déformer (se déplacer) par rapport aux autres. (Sur la figure 2.15, la partie la plus rigide du support est mise en évidence par une ligne pointillée rouge, et la partie relativement souple par une ligne bleue).

Pour mesurer ces déformations relatives, les machines Hard Bearing peuvent utiliser des capteurs de force ou des capteurs de vibrations très sensibles de différents types, y compris des capteurs de déplacement de vibrations sans contact.

Figure 2.15. Machine d'équilibrage de roulements durs par " K. Schenk "

L'analyse des demandes reçues concernant les instruments de la série " Balanset " révèle un intérêt croissant pour la fabrication de machines à paliers durs destinées à un usage interne. Cette tendance est favorisée par la large diffusion d'informations publicitaires sur les caractéristiques des machines d'équilibrage domestiques, utilisées par les fabricants amateurs comme modèles (ou prototypes) pour leurs propres développements.

Examinons quelques variantes de machines à roulements durs fabriquées pour les besoins internes d'un certain nombre de consommateurs d'instruments de la série " Balanset ".

Figures 2.16.a - 2.16.d La figure 2.16.a présente des photographies d'une machine à paliers rigides conçue pour l'équilibrage d'arbres de transmission, fabriquée par N. Obyedkov. Cette machine se compose d'un bâti rigide 1 sur lequel sont fixés des supports 2 (deux broches et deux supports intermédiaires). La broche principale 3 est entraînée par un moteur électrique asynchrone 4 via une transmission par courroie. Un variateur de fréquence 6 contrôle la vitesse de rotation du moteur 4. La machine est équipée du système de mesure et de calcul " Balanset 4 " 5, comprenant une unité de mesure, un ordinateur, quatre capteurs de force et un capteur d'angle de phase (capteurs non représentés sur la figure 2.16.a).

Figure 2.16.a. Machine à palier dur pour l'équilibrage des arbres de transmission, fabriquée par N. Obyedkov (Magnitogorsk)

Figure 2.16.b montre une photographie du support avant de la machine avec la broche de tête 3, qui est entraînée, comme indiqué précédemment, par une courroie provenant d'un moteur électrique asynchrone 4. Ce support est monté de manière rigide sur le châssis.

Figure 2.16.b. Support de broche avant.

Figure 2.16.c présente une photographie de l'un des deux supports intermédiaires mobiles de la machine. Ce support repose sur des glissières 7, permettant son déplacement longitudinal le long des guides du châssis. Ce support comprend un dispositif spécial 8, conçu pour installer et régler la hauteur du palier intermédiaire de l'arbre d'entraînement équilibré.

Figure 2.16.c. Support mobile intermédiaire de la machine

Figure 2.16.d montre une photographie du support de broche arrière (entraîné), qui, comme les supports intermédiaires, permet un mouvement le long des guides du bâti de la machine.

Figure 2.16.d. Support de broche arrière (entraînée).

Tous les supports mentionnés ci-dessus sont des plaques verticales montées sur des bases plates. Les plaques comportent des fentes en forme de T (voir figure 2.16.d), qui divisent le support en une partie intérieure 9 (plus rigide) et une partie extérieure 10 (moins rigide). La différence de rigidité entre les parties intérieure et extérieure du support peut entraîner une déformation relative de ces parties sous l'effet des forces de déséquilibre du rotor équilibré.

Les capteurs de force sont généralement utilisés pour mesurer la déformation relative des supports dans les machines artisanales. La figure 2.16.e montre un exemple d'installation d'un capteur de force sur le support d'une machine à équilibrer Hard Bearing. Comme le montre cette figure, le capteur de force 11 est pressé contre la surface latérale de la partie intérieure du support par un boulon 12, qui passe par un trou fileté dans la partie extérieure du support.

Pour assurer une pression uniforme du boulon 12 sur tout le plan du capteur de force 11, une rondelle plate 13 est placée entre le boulon et le capteur.

Figure 2.16.d. Exemple d'installation d'un capteur de force sur un support.

Pendant le fonctionnement de la machine, les forces de déséquilibre du rotor équilibré agissent, par l'intermédiaire des supports (broches ou paliers intermédiaires), sur la partie extérieure du support. Celle-ci se met alors à osciller (se déformer) de manière cyclique par rapport à sa partie intérieure, à la fréquence de rotation du rotor. Il en résulte une force variable agissant sur le capteur 11, proportionnelle à la force de déséquilibre. Sous son influence, un signal électrique, proportionnel à l'amplitude du déséquilibre du rotor, est généré à la sortie du capteur de force.

Les signaux provenant des capteurs de force, installés sur tous les supports, sont transmis au système de mesure et de calcul de la machine, où ils sont utilisés pour déterminer les paramètres des poids correctifs.

Figure 2.17.a. Cette image présente une photographie d'une machine à paliers rigides hautement spécialisée, utilisée pour l'équilibrage des arbres à vis. Cette machine a été fabriquée pour un usage interne chez Ufatverdosplav LLC.

Comme le montre la figure, le mécanisme d'essorage de la machine est de construction simplifiée et se compose des principaux éléments suivants :

• Cadre soudé 1qui sert de lit ;
• Deux supports fixes 2, fixé de manière rigide au cadre ;
• Moteur électrique 3qui entraîne l'arbre équilibré (vis) 5 par l'intermédiaire d'une courroie de transmission 4.

Figure 2.17.a. Machine à paliers durs pour l'équilibrage des arbres à vis, fabriquée par LLC "Ufatverdosplav""

Les supports 2 de la machine sont des plaques d'acier installées verticalement avec des fentes en forme de T. Au sommet de chaque support, il y a des rouleaux d'appui fabriqués à l'aide de roulements à billes, sur lesquels tourne l'arbre équilibré 5.

Pour mesurer la déformation des supports, qui se produit sous l'effet du balourd du rotor, on utilise des capteurs de force 6 (voir Fig. 2.17.b), installés dans les rainures des supports. Ces capteurs sont reliés au dispositif " Balanset 1 ", qui sert de système de mesure et de calcul sur cette machine.

Malgré la relative simplicité du mécanisme de mise en rotation de la machine, celle-ci permet un équilibrage de qualité suffisamment élevée des vis qui, comme on le voit sur la Fig. 2.17.a., ont une surface hélicoïdale complexe.

Selon la société LLC " Ufatverdosplav ", le déséquilibre initial de la vis a été réduit de près de 50 fois sur cette machine au cours du processus d'équilibrage.

Figure 2.17.b. Support de machine à palier dur pour l'équilibrage d'arbres à vis avec capteur de force

Le déséquilibre résiduel obtenu était de 3 552 g*mm (19,2 g à un rayon de 185 mm) dans le premier plan de la vis et de 2 220 g*mm (12,0 g à un rayon de 185 mm) dans le second plan. Pour un rotor de 500 kg fonctionnant à une fréquence de rotation de 3 500 tr/min, ce déséquilibre correspond à la classe G6.3 de la norme ISO 1940-1:2007, qui satisfait aux exigences de sa documentation technique.

SV Morozov a proposé une conception originale (voir Fig. 2.18) qui consiste à utiliser une base unique pour l'installation simultanée des supports de deux machines d'équilibrage à paliers durs de tailles différentes. Les avantages évidents de cette solution technique, qui permettent de minimiser les coûts de production du fabricant, sont les suivants :

• Économie d'espace de production ;
• Utilisation d'un moteur électrique avec un variateur de fréquence pour faire fonctionner deux machines différentes ;
• Utilisation d'un système de mesure pour faire fonctionner deux machines différentes.

Figure 2.18. Machine d'équilibrage de roulements durs (" Tandem "), fabriquée par SV Morozov

3. Exigences relatives à la construction des unités de base et des mécanismes des machines à équilibrer

3.1. Roulements

3.1.1. Fondements théoriques de la conception des paliers

Dans la section précédente, les principales méthodes de conception des supports à paliers souples et rigides pour machines d'équilibrage ont été décrites en détail. Un paramètre crucial que les concepteurs doivent prendre en compte lors de la conception et de la fabrication de ces supports est leur fréquence propre d'oscillation. En effet, la mesure non seulement de l'amplitude de vibration (déformation cyclique) des supports, mais aussi de leur phase, est nécessaire au calcul des paramètres des masses correctives par les systèmes de mesure et de calcul de la machine.

Si la fréquence propre d'un support coïncide avec la fréquence de rotation du rotor équilibré (résonance du support), la mesure précise de l'amplitude et de la phase des vibrations est pratiquement impossible. Ceci est clairement illustré par les graphiques montrant les variations d'amplitude et de phase des oscillations du support en fonction de la fréquence de rotation du rotor équilibré (voir Fig. 3.1).

Il ressort de ces graphiques que lorsque la fréquence de rotation du rotor équilibré s'approche de la fréquence propre des oscillations du support (c'est-à-dire lorsque le rapport fp/fo est proche de 1), on observe une augmentation significative de l'amplitude associée aux oscillations de résonance du support (voir figure 3.1.a). Simultanément, le graphique 3.1.b montre que dans la zone de résonance, il y a une forte variation de l'angle de phase ∆F°, qui peut atteindre 180°.

En d'autres termes, lors de l'équilibrage d'un mécanisme dans la zone de résonance, même de petites variations de sa fréquence de rotation peuvent entraîner une instabilité significative des résultats de mesure de l'amplitude et de la phase de sa vibration, ce qui entraîne des erreurs dans le calcul des paramètres des poids correctifs et affecte négativement la qualité de l'équilibrage.

Les graphiques ci-dessus confirment les recommandations précédentes selon lesquelles, pour les machines à paliers durs, la limite supérieure des fréquences de fonctionnement du rotor doit être (au moins) 2 à 3 fois inférieure à la fréquence naturelle du support, fo. Pour les machines à paliers souples, la limite inférieure des fréquences de fonctionnement admissibles du rotor équilibré doit être (au moins) 2 à 3 fois supérieure à la fréquence naturelle du support.

Figure 3.1. Graphiques montrant les variations de l'amplitude relative et de la phase des vibrations du support de la machine d'équilibrage en fonction des changements de fréquence de rotation.

• Ад - Amplitude des vibrations dynamiques du support ;
• e = m*r / M - Déséquilibre spécifique du rotor équilibré ;
• m - Masse déséquilibrée du rotor ;
• M - Masse du rotor ;
• r - Rayon auquel la masse en déséquilibre est située sur le rotor ;
• fp - Fréquence de rotation du rotor ;
• fo - Fréquence naturelle des vibrations du support

Compte tenu des informations présentées, il n'est pas recommandé de faire fonctionner la machine dans la zone de résonance de ses supports (surlignée en rouge sur la Fig. 3.1). Les graphiques de la Fig. 3.1 montrent également que pour les mêmes déséquilibres du rotor, les vibrations réelles des supports de machine à roulements souples sont nettement inférieures à celles qui se produisent sur les supports de machine à roulements souples.

Il s'ensuit que les capteurs utilisés pour mesurer les vibrations des supports dans les machines à coussinets durs doivent avoir une sensibilité plus élevée que ceux utilisés dans les machines à coussinets souples. Cette conclusion est bien étayée par la pratique réelle de l'utilisation des capteurs, qui montre que les capteurs de vibrations absolues (vibroaccéléromètres et/ou capteurs de vitesse vibratoire), utilisés avec succès dans les machines à paliers lisses, ne peuvent souvent pas atteindre la qualité d'équilibrage nécessaire sur les machines à paliers durs.

Sur ces machines, il est recommandé d'utiliser des capteurs de vibrations relatives, tels que des capteurs de force ou des capteurs de déplacement très sensibles.

3.1.2. Estimation des fréquences naturelles des appuis à l'aide de méthodes de calcul

Un concepteur peut effectuer un calcul approximatif (estimatif) de la fréquence propre d'un support à l'aide de la formule 3.1, en le considérant de manière simpliste comme un système vibratoire à un degré de liberté, qui (voir Fig. 2.19.a) est représenté par une masse M, oscillant sur un ressort de raideur K.

La masse M utilisée dans le calcul pour un rotor symétrique à paliers multiples peut être estimée par la formule 3.2.

où Mo​ est la masse de la partie mobile du support en kg ; Mr​ est la masse du rotor équilibré en kg ; n est le nombre de supports de machine impliqués dans l'équilibrage.

La rigidité K du support est calculée à l'aide de la formule 3.3 sur la base des résultats d'études expérimentales consistant à mesurer la déformation ΔL du support lorsqu'il est soumis à une force statique P (voir les figures 3.2.a et 3.2.b).

où ΔL est la déformation du support en mètres ; P est la force statique en Newtons.

L'ampleur de la force de chargement P peut être mesurée à l'aide d'un instrument de mesure de la force (par exemple, un dynamomètre). Le déplacement du support ΔL est déterminé à l'aide d'un dispositif de mesure des déplacements linéaires (par exemple, un comparateur).

3.1.3. Méthodes expérimentales pour la détermination des fréquences naturelles des supports

Étant donné que le calcul des fréquences propres des supports, effectué selon une méthode simplifiée et présenté ci-dessus, peut engendrer des erreurs importantes, la plupart des développeurs amateurs préfèrent déterminer ces paramètres par des méthodes expérimentales. Pour ce faire, ils utilisent les capacités offertes par les systèmes modernes de mesure des vibrations des machines d'équilibrage, notamment les instruments de la série " Balanset ".

3.1.3.1. Détermination des fréquences naturelles des appuis par la méthode d'excitation par impact

La méthode d'excitation par impact est la manière la plus simple et la plus courante de déterminer la fréquence propre des vibrations d'un support ou de tout autre composant d'une machine. Elle est basée sur le fait que lorsqu'un objet, tel qu'une cloche (voir Fig. 3.3), est excité par un choc, sa réponse se manifeste par une réponse vibratoire qui décroît progressivement. La fréquence du signal vibratoire est déterminée par les caractéristiques structurelles de l'objet et correspond à la fréquence de ses vibrations naturelles. Pour l'excitation des vibrations par impact, on peut utiliser n'importe quel outil lourd, tel qu'un maillet en caoutchouc ou un maillet ordinaire.

Figure 3.3. Diagramme d'excitation par impact utilisé pour déterminer les fréquences naturelles d'un objet

La masse du marteau doit être approximativement égale à 10% de la masse de l'objet excité. Pour capter la réponse vibratoire, un capteur de vibrations doit être installé sur l'objet examiné, son axe de mesure étant aligné sur la direction de l'excitation de l'impact. Dans certains cas, le microphone d'un appareil de mesure du bruit peut être utilisé comme capteur pour percevoir la réponse vibratoire de l'objet.

Les vibrations de l'objet sont converties en un signal électrique par le capteur, lequel est ensuite transmis à un instrument de mesure, tel que l'entrée d'un analyseur de spectre. Cet instrument enregistre l'évolution temporelle et le spectre du processus vibratoire décroissant (voir Fig. 3.4), dont l'analyse permet de déterminer la ou les fréquences des vibrations propres de l'objet.

Figure 3.5. Interface du programme montrant les graphiques de la fonction temporelle et le spectre des vibrations d'impact décroissantes de la structure examinée

L'analyse du graphique du spectre présenté à la figure 3.5 (voir la partie inférieure de la fenêtre de travail) montre que la composante principale des vibrations naturelles de la structure examinée, déterminée par rapport à l'axe des abscisses du graphique, se produit à une fréquence de 9,5 Hz. Cette méthode peut être recommandée pour l'étude des vibrations naturelles des supports de machines d'équilibrage à paliers souples et à paliers rigides.

3.1.3.2. Détermination des fréquences naturelles des appuis en mode cabotage

Dans certains cas, les fréquences naturelles des supports peuvent être déterminées en mesurant cycliquement l'amplitude et la phase des vibrations " à l'arrêt ". Lors de la mise en œuvre de cette méthode, le rotor installé sur la machine examinée est initialement accéléré jusqu'à sa vitesse de rotation maximale, après quoi son entraînement est déconnecté, et la fréquence de la force perturbatrice associée au balourd du rotor diminue progressivement de sa valeur maximale jusqu'au point d'arrêt.

Dans ce cas, les fréquences naturelles des supports peuvent être déterminées par deux caractéristiques :

• Par une augmentation locale de l'amplitude des vibrations observée dans les zones de résonance ;
• Par un changement brutal (jusqu'à 180°) de la phase de vibration observée dans la zone du saut d'amplitude.

Dans les appareils de la série " Balanset ", le mode " Vibromètre " (" Balanset 1 ") ou le mode " Équilibrage. Surveillance " (" Balanset 2C " et " Balanset 4 ") peuvent être utilisés pour détecter les fréquences naturelles des objets " sur la côte ", permettant des mesures cycliques de l’amplitude et de la phase des vibrations à la fréquence de rotation du rotor.

De plus, le logiciel " Balanset 1 " inclut également un mode spécialisé " Graphs. Coasting ", qui permet de tracer des graphiques des variations d'amplitude et de phase des vibrations du support sur la roue en fonction de la fréquence de rotation, facilitant considérablement le processus de diagnostic des résonances.

Il convient de noter que, pour des raisons évidentes (voir section 3.1.1), la méthode d'identification des fréquences propres des appuis sur la côte ne peut être utilisée que dans le cas de l'étude des machines à équilibrer Soft Bearing, où les fréquences de travail de la rotation du rotor dépassent sensiblement les fréquences propres des appuis dans la direction transversale.

Dans le cas des machines à roulements durs, où les fréquences de travail de la rotation du rotor qui excitent les vibrations des supports sur la côte sont nettement inférieures aux fréquences naturelles des supports, l'utilisation de cette méthode est pratiquement impossible.

3.1.4. Recommandations pratiques pour la conception et la fabrication de supports pour les machines à équilibrer

3.1.2. Calcul des fréquences naturelles des appuis par des méthodes informatiques

Les calculs des fréquences naturelles des supports à l'aide du schéma de calcul décrit ci-dessus peuvent être effectués dans deux directions :

• Dans la direction transversale des supports, qui coïncide avec la direction de mesure de leurs vibrations causées par les forces de déséquilibre du rotor ;
• Dans le sens axial, coïncidant avec l'axe de rotation du rotor équilibré monté sur les supports de la machine.

Le calcul des fréquences propres des supports dans la direction verticale requiert une méthode de calcul plus complexe qui, outre les paramètres du support et du rotor équilibré, doit prendre en compte ceux du bâti et les spécificités de l'installation de la machine sur sa fondation. Cette méthode n'est pas abordée dans cette publication. L'analyse de la formule 3.1 permet de formuler quelques recommandations simples que les concepteurs de machines devraient considérer dans leur pratique. En particulier, la fréquence propre d'un support peut être modifiée en faisant varier sa rigidité et/ou sa masse. Augmenter la rigidité accroît la fréquence propre du support, tandis qu'augmenter la masse la diminue. Ces variations sont inversement proportionnelles au carré de la distance. Par exemple, doubler la rigidité du support n'augmente sa fréquence propre que d'un facteur 1,4. De même, doubler la masse de la partie mobile du support ne la diminue que d'un facteur 1,4.

3.1.4.1. Machines à roulements souples avec ressorts à plaque plate

Plusieurs variantes de conception de supports de machines d'équilibrage fabriqués avec des ressorts plats ont été discutées ci-dessus dans la section 2.1 et illustrées dans les figures 2.7 à 2.9. Selon nos informations, ces conceptions sont le plus souvent utilisées dans les machines destinées à l'équilibrage des arbres de transmission.

Prenons l'exemple des paramètres des ressorts utilisés par l'un de nos clients (la SARL " Rost-Service ", Saint-Pétersbourg) pour la fabrication des supports de sa machine. Cette machine était conçue pour l'équilibrage d'arbres moteurs à 2, 3 et 4 supports, d'une masse maximale de 200 kg. Les dimensions géométriques des ressorts (hauteur × largeur × épaisseur) utilisés dans les supports des broches menante et menée, choisies par le client, étaient respectivement de 300 × 200 × 3 mm.

La fréquence naturelle du support non chargé, déterminée expérimentalement par la méthode d'excitation par impact à l'aide du système de mesure standard de la machine " Balanset 4 ", a été trouvée à 11 - 12 Hz. À une telle fréquence naturelle de vibrations des supports, la fréquence de rotation recommandée du rotor équilibré pendant l'équilibrage ne doit pas être inférieure à 22-24 Hz (1320 – 1440 tr/min).

Les dimensions géométriques des ressorts plats utilisés par le même fabricant sur les supports intermédiaires étaient respectivement de 200 × 200 × 3 mm. De plus, comme l'ont montré les études, les fréquences propres de ces supports étaient plus élevées, atteignant 13 à 14 Hz.

Suite aux résultats des tests, il a été conseillé aux fabricants de la machine d'aligner (égaliser) les fréquences propres de la broche et des supports intermédiaires. Ceci devrait faciliter la sélection de la plage de fréquences de rotation de fonctionnement des arbres de transmission lors de l'équilibrage et éviter d'éventuelles instabilités des relevés du système de mesure dues à l'entrée des supports dans la zone de résonance.

Les méthodes d'ajustement des fréquences naturelles de vibration des supports sur ressorts plats sont évidentes. Ce réglage peut être réalisé en modifiant les dimensions géométriques ou la forme des ressorts plats, par exemple en fraisant des fentes longitudinales ou transversales qui réduisent leur rigidité.

Comme indiqué précédemment, la vérification des résultats de cet ajustement peut être effectuée en identifiant les fréquences naturelles de vibration des supports à l'aide des méthodes décrites aux sections 3.1.3.1 et 3.1.3.2.

Figure 3.6 présente une version classique de la conception du support sur ressorts plats, utilisée dans l'une de ses machines par A. Sinitsyn. Comme le montre la figure, le support comprend les éléments suivants :

• Plaque supérieure 1 ;
• Deux ressorts plats 2 et 3 ;
• Plaque inférieure 4 ;
• Support d'arrêt 5.

Figure 3.6. Variation de la conception d'un support sur ressorts plats

La plaque supérieure 1 du support peut être utilisée pour monter la broche ou un palier intermédiaire. En fonction de l'utilisation du support, la plaque inférieure 4 peut être fixée de manière rigide aux guides de la machine ou installée sur des glissières mobiles, ce qui permet au support de se déplacer le long des guides. Le support 5 est utilisé pour installer un mécanisme de verrouillage du support, lui permettant d'être solidement fixé pendant l'accélération et la décélération du rotor équilibré.

Les ressorts plats destinés aux supports de machines à paliers souples doivent être fabriqués en acier à lames ou en acier allié de haute qualité. L'utilisation d'aciers de construction ordinaires à faible limite d'élasticité est déconseillée, car ils peuvent présenter des déformations résiduelles sous charges statiques et dynamiques en fonctionnement, entraînant une réduction de la précision géométrique de la machine, voire une perte de stabilité du support.

Pour les machines dont la masse du rotor équilibré n'excède pas 300 à 500 kg, l'épaisseur du support peut être portée à 30-40 mm. Pour les machines conçues pour l'équilibrage de rotors d'une masse maximale comprise entre 1000 et 3000 kg, cette épaisseur peut atteindre 50-60 mm, voire plus. L'analyse des caractéristiques dynamiques de ces supports révèle que leurs fréquences de vibration propres, mesurées dans le plan transversal (plan de mesure des déformations relatives des parties flexibles et rigides), dépassent généralement 100 Hz. Les fréquences de vibration propres des supports à paliers rigides, mesurées dans le plan frontal (dans la direction de l'axe de rotation du rotor équilibré), sont généralement nettement inférieures. Ce sont ces fréquences qu'il convient de prendre en compte en priorité pour déterminer la limite supérieure de la plage de fréquences de fonctionnement des rotors équilibrés sur la machine. Comme indiqué précédemment, la détermination de ces fréquences peut être effectuée par la méthode d'excitation par impact décrite à la section 3.1.

Figure 3.7. Machine à équilibrer les rotors de moteurs électriques, assemblée, mise au point par A. Mokhov.

Figure 3.8. Machine pour l'équilibrage des rotors de turbopompes, développée par G. Glazov (Bishkek)

3.1.4.2. Supports de machines à roulements souples avec suspension par ressorts en bande

Lors de la conception des bandes élastiques utilisées pour les suspensions de support, il convient de veiller au choix de l'épaisseur et de la largeur de la bande élastique qui, d'une part, doit résister à la charge statique et dynamique du rotor sur le support et, d'autre part, doit empêcher la possibilité de vibrations de torsion de la suspension de support, qui se manifestent par un faux-rond axial.

Des exemples de mise en œuvre structurelle de machines d'équilibrage utilisant des suspensions à ressorts en bande sont présentés dans les figures 2.1 à 2.5 (voir section 2.1), ainsi que dans les figures 3.7 et 3.8 de cette section.

3.1.4.4. Supports de paliers rigides pour machines

Comme le démontre notre vaste expérience auprès de nos clients, une part importante des fabricants d'équilibreuses artisanales privilégient désormais les machines à paliers rigides. Les figures 2.16 à 2.18 de la section 2.2 présentent des photographies de différentes conceptions structurelles de machines utilisant de tels supports. La figure 3.10 illustre un schéma typique d'un support rigide, conçu par l'un de nos clients pour la construction de sa machine. Ce support est constitué d'une plaque d'acier plate comportant une rainure en forme de P, divisant ainsi le support en parties " rigide " et " flexible ". Sous l'effet d'une force de déséquilibre, la partie " flexible " du support peut se déformer par rapport à la partie " rigide ". L'amplitude de cette déformation, déterminée par l'épaisseur du support, la profondeur des rainures et la largeur du pont reliant les parties " flexible " et " rigide ", peut être mesurée à l'aide des capteurs appropriés du système de mesure de la machine. En raison de l'absence de méthode pour calculer la rigidité transversale de tels supports, en tenant compte de la profondeur h de la rainure en forme de P, de la largeur t du pont, ainsi que de l'épaisseur du support r (voir Fig. 3.10), ces paramètres de conception sont généralement déterminés expérimentalement par les développeurs.

Pour les machines dont la masse du rotor équilibré n'excède pas 300 à 500 kg, l'épaisseur du support peut être portée à 30-40 mm. Pour les machines conçues pour l'équilibrage de rotors d'une masse maximale comprise entre 1000 et 3000 kg, cette épaisseur peut atteindre 50-60 mm, voire plus. L'analyse des caractéristiques dynamiques de ces supports révèle que leurs fréquences de vibration propres, mesurées dans le plan transversal (plan de mesure des déformations relatives des parties flexibles et rigides), dépassent généralement 100 Hz. Les fréquences de vibration propres des supports à paliers rigides, mesurées dans le plan frontal (dans la direction de l'axe de rotation du rotor équilibré), sont généralement nettement inférieures. Ce sont ces fréquences qu'il convient de prendre en compte en priorité pour déterminer la limite supérieure de la plage de fréquences de fonctionnement des rotors équilibrés sur la machine.

Figure 3.26. Exemple d'utilisation d'un banc de tour usagé pour la fabrication d'une machine à palier dur destinée à l'équilibrage des tarières.

Figure 3.27. Exemple d'utilisation d'un banc de tour usagé pour la fabrication d'une machine à paliers souples pour l'équilibrage des arbres.

Figure 3.28. Exemple de fabrication d'un lit assemblé à partir de canaux

Figure 3.29. Exemple de fabrication d'un lit soudé à partir de canaux

Figure 3.30. Exemple de fabrication d'un lit soudé à partir de canaux

Figure 3.31. Exemple d'un banc de machine à équilibrer en béton polymère

Généralement, lors de la fabrication de tels bancs, leur partie supérieure est renforcée par des inserts en acier servant de guides aux supports de la machine d'équilibrage. Récemment, les bancs en béton polymère avec revêtement anti-vibrations se sont largement répandus. Cette technologie de fabrication est bien documentée en ligne et peut être facilement mise en œuvre par les bricoleurs. Grâce à leur relative simplicité et à leur faible coût de production, ces bancs présentent plusieurs avantages clés par rapport à leurs homologues métalliques :

• Coefficient d'amortissement plus élevé pour les oscillations vibratoires ;
• Conductivité thermique plus faible, assurant une déformation thermique minimale du lit ;
• Meilleure résistance à la corrosion ;
• Absence de tensions internes.

3.1.4.3. Supports de machines à roulements souples fabriqués à l'aide de ressorts cylindriques

La figure 3.9 montre un exemple de machine à équilibrer Soft Bearing dans laquelle des ressorts de compression cylindriques sont utilisés dans la conception des supports. Le principal inconvénient de cette solution est lié aux différents degrés de déformation des ressorts dans les supports avant et arrière, qui se produisent si les charges sur les supports sont inégales pendant l'équilibrage de rotors asymétriques. Cela conduit naturellement à un désalignement des supports et à une inclinaison de l'axe du rotor dans le plan vertical. L'une des conséquences négatives de ce défaut peut être l'apparition de forces qui entraînent un déplacement axial du rotor pendant la rotation.

Fig. 3.9. Variante de construction d'un support de palier souple pour les machines à équilibrer utilisant des ressorts cylindriques.

3.1.4.4. Supports de paliers rigides pour machines

Comme le démontre notre vaste expérience auprès de nos clients, une part importante des fabricants d'équilibreuses artisanales privilégient désormais les machines à paliers rigides. Les figures 2.16 à 2.18 de la section 2.2 présentent des photographies de différentes conceptions structurelles de machines utilisant de tels supports. La figure 3.10 illustre un schéma typique d'un support rigide, conçu par l'un de nos clients pour la construction de sa machine. Ce support est constitué d'une plaque d'acier plate comportant une rainure en forme de P, divisant ainsi le support en parties " rigide " et " flexible ". Sous l'effet d'une force de déséquilibre, la partie " flexible " du support peut se déformer par rapport à la partie " rigide ". L'amplitude de cette déformation, déterminée par l'épaisseur du support, la profondeur des rainures et la largeur du pont reliant les parties " flexible " et " rigide ", peut être mesurée à l'aide des capteurs appropriés du système de mesure de la machine. En raison de l'absence de méthode pour calculer la rigidité transversale de tels supports, en tenant compte de la profondeur h de la rainure en forme de P, de la largeur t du pont, ainsi que de l'épaisseur du support r (voir Fig. 3.10), ces paramètres de conception sont généralement déterminés expérimentalement par les développeurs.

Fig. 3.10. Croquis d'un support de palier dur pour une machine à équilibrer

Les figures 3.11 et 3.12 présentent des photographies illustrant différentes réalisations de ces supports, fabriqués pour les machines de nos clients. La synthèse des données recueillies auprès de plusieurs de nos clients constructeurs de machines permet de définir les exigences relatives à l'épaisseur des supports, pour des machines de dimensions et de capacités de charge variées. Par exemple, pour les machines destinées à équilibrer des rotors pesant de 0,1 à 50-100 kg, l'épaisseur du support peut être de 20 mm.

Fig. 3.11. Supports de roulements durs pour machine à équilibrer, fabriqués par A. Sinitsyn

Fig. 3.12. Support de palier dur pour machine à équilibrer, fabriqué par D. Krasilnikov

Pour les machines dont la masse du rotor équilibré n'excède pas 300 à 500 kg, l'épaisseur du support peut être portée à 30-40 mm. Pour les machines conçues pour l'équilibrage de rotors d'une masse maximale comprise entre 1000 et 3000 kg, cette épaisseur peut atteindre 50-60 mm, voire plus. L'analyse des caractéristiques dynamiques de ces supports révèle que leurs fréquences de vibration propres, mesurées dans le plan transversal (plan de mesure des déformations relatives des parties flexibles et rigides), dépassent généralement 100 Hz. Les fréquences de vibration propres des supports à paliers rigides, mesurées dans le plan frontal (dans la direction de l'axe de rotation du rotor équilibré), sont généralement nettement inférieures. Ce sont ces fréquences qu'il convient de prendre en compte en priorité pour déterminer la limite supérieure de la plage de fréquences de fonctionnement des rotors équilibrés sur la machine. Comme indiqué précédemment, la détermination de ces fréquences peut être effectuée par la méthode d'excitation par impact décrite à la section 3.1.

3.2. Assemblages de support des machines d'équilibrage

3.2.1. Principaux types d'assemblages de support

Dans la fabrication des machines à équilibrer à palier dur et à palier souple, les types suivants d'assemblages de support bien connus, utilisés pour l'installation et la rotation des rotors équilibrés sur des supports, peuvent être recommandés :

• Assemblages de support prismatique ;
• Soutenir des assemblages avec des rouleaux rotatifs ;
• Ensembles de support de broche.

3.2.1.1. Assemblages de support prismatique

Ces ensembles, disponibles en différentes conceptions, sont généralement installés sur les supports de machines de petite et moyenne taille, permettant l'équilibrage de rotors d'une masse n'excédant pas 50 à 100 kg. La figure 3.13 présente un exemple de la version la plus simple d'un ensemble de support prismatique. Cet ensemble, en acier, est utilisé sur une machine d'équilibrage de turbines. De nombreux fabricants de machines d'équilibrage de petite et moyenne taille privilégient, pour la fabrication de ces ensembles de support prismatiques, l'utilisation de matériaux non métalliques (diélectriques) tels que le textolite, le fluoroplastique, le caprolon, etc.

3.13. Variante d'exécution de l'ensemble de support prismatique, utilisé sur une machine d'équilibrage pour les turbines automobiles

Des ensembles de support similaires (voir figure 3.8 ci-dessus) sont utilisés, par exemple, par G. Glazov dans sa machine, également destinée à l'équilibrage des turbines automobiles. La solution technique originale de l'ensemble de support prismatique, en fluoroplastique (voir figure 3.14), est proposée par la société Technobalance.

Fig. 3.14. Assemblage de support prismatique par LLC " Technobalance "

Ce support est constitué de deux manchons cylindriques 1 et 2, installés en angle l'un par rapport à l'autre et fixés sur des axes de support. Le rotor équilibré entre en contact avec les surfaces des manchons le long des lignes de génératrice des cylindres, ce qui minimise la surface de contact entre l'arbre du rotor et le support, réduisant ainsi les frottements. En cas d'usure ou d'endommagement de la surface du support au niveau du contact avec l'arbre du rotor, il est possible de compenser cette usure en faisant pivoter le manchon autour de son axe. Il convient de noter que lors de l'utilisation de supports en matériaux non métalliques, il est nécessaire de prévoir la possibilité de mettre à la terre le rotor équilibré sur le bâti de la machine, ce qui élimine tout risque de décharges électrostatiques importantes pendant le fonctionnement. Ceci permet, d'une part, de réduire les interférences et perturbations électriques susceptibles d'affecter les performances du système de mesure de la machine et, d'autre part, d'éliminer tout risque d'électrocution pour le personnel.

3.2.1.2. Ensembles de support des rouleaux

Ces ensembles sont généralement installés sur les supports de machines conçues pour l'équilibrage de rotors d'une masse supérieure à 50 kilogrammes. Leur utilisation réduit considérablement les forces de frottement dans les supports par rapport aux supports prismatiques, facilitant ainsi la rotation du rotor équilibré. À titre d'exemple, la figure 3.15 présente une variante de conception d'un ensemble de support utilisant des rouleaux pour le positionnement du produit. Dans cette conception, des roulements à billes standard sont utilisés comme rouleaux 1 et 2, dont les bagues extérieures tournent autour d'axes fixes intégrés au corps du support 3 de la machine. La figure 3.16 illustre un schéma d'une conception plus complexe d'un ensemble de support à rouleaux, mise en œuvre dans le cadre d'un projet par un fabricant indépendant de machines d'équilibrage. Comme on peut le voir sur le dessin, afin d'augmenter la capacité de charge du rouleau (et par conséquent de l'ensemble de support), une paire de roulements 1 et 2 est installée dans le corps du rouleau 3. La mise en œuvre pratique de cette conception, malgré tous ses avantages évidents, semble être une tâche assez complexe, associée à la nécessité de fabriquer indépendamment le corps du rouleau 3, auquel sont imposées des exigences très élevées en matière de précision géométrique et de caractéristiques mécaniques du matériau.

Fig. 3.15. Exemple de conception d'un assemblage de support de rouleau

Fig. 3.16. Exemple de conception d'un assemblage de support de rouleau avec deux roulements à billes

La figure 3.17 présente une variante de conception d'un ensemble de support à rouleaux auto-aligneurs développé par les spécialistes de la société Technobalance. Dans cette conception, l'auto-alignement des rouleaux est obtenu grâce à deux degrés de liberté supplémentaires, leur permettant d'effectuer de petits mouvements angulaires autour des axes X et Y. Ces ensembles de support, garantissant une grande précision dans l'installation des rotors équilibrés, sont généralement recommandés pour les supports de machines d'équilibrage de grande taille.

Fig. 3.17. Exemple de conception d'un assemblage de support de rouleaux à alignement automatique

Comme nous l'avons déjà mentionné, les assemblages de supports de rouleaux ont généralement des exigences assez élevées en matière de précision de fabrication et de rigidité. En particulier, les tolérances fixées pour le battement radial des rouleaux ne doivent pas dépasser 3 à 5 microns.

En pratique, même les fabricants les plus réputés n'y parviennent pas toujours. Par exemple, lors des tests effectués par l'auteur sur le faux-rond radial d'un jeu de nouveaux supports de rouleaux, achetés comme pièces de rechange pour la machine d'équilibrage modèle H8V, de marque " K. Shenk ", le faux-rond radial de leurs rouleaux a atteint 10 à 11 microns.

3.2.1.3. Assemblages de support de broche

Lors de l'équilibrage de rotors avec fixation par bride (par exemple, arbres à cardan) sur des machines d'équilibrage, les broches sont utilisées comme ensembles de support pour le positionnement, le montage et la rotation des produits équilibrés.

Les broches sont l'un des composants les plus complexes et les plus critiques des machines d'équilibrage. Elles sont en grande partie responsables de l'obtention de la qualité d'équilibrage requise.

La théorie et la pratique de la conception et de la fabrication des broches sont assez bien développées et se reflètent dans un large éventail de publications, parmi lesquelles la monographie " Détails et mécanismes des machines-outils de coupe des métaux " [1], éditée par le Dr. Eng. DN Reshetov, se distingue comme la plus utile et la plus accessible pour les développeurs.

Parmi les principales exigences à prendre en compte lors de la conception et de la fabrication des broches de machines à équilibrer, les suivantes sont prioritaires :

a) Assurer une rigidité élevée de la structure de l'ensemble de la broche, suffisante pour empêcher les déformations inacceptables qui peuvent se produire sous l'influence des forces de déséquilibre du rotor équilibré ;

b) Assurer la stabilité de la position de l'axe de rotation de la broche, caractérisée par des valeurs admissibles de faux-rond radial, axial et axial de la broche ;

c) Assurer une bonne résistance à l'usure des tourillons de la broche, ainsi que de son logement et des surfaces d'appui utilisées pour le montage des produits équilibrés.

La mise en œuvre pratique de ces exigences est détaillée dans la section VI " Broches et leurs supports " de l’ouvrage [1].

On y trouve notamment des méthodologies pour vérifier la rigidité et la précision de rotation des broches, des recommandations pour le choix des roulements, le choix du matériau de la broche et les méthodes de durcissement, ainsi que de nombreuses autres informations utiles sur ce sujet.

L'ouvrage [1] note que dans la conception des broches pour la plupart des types de machines-outils d'usinage des métaux, un schéma à deux roulements est principalement utilisé.

Un exemple de variante de conception d'un tel schéma à deux roulements utilisé dans les broches de fraiseuses (des détails peuvent être trouvés dans l'ouvrage [1]) est illustré à la Fig. 3.18.

Ce schéma convient parfaitement à la fabrication de broches de machines d'équilibrage, dont des exemples de variantes de conception sont présentés ci-dessous dans les figures 3.19-3.22.

Fig. 3.18. Croquis d'une broche de fraiseuse à deux paliers

La figure 3.19 montre l'une des variantes de conception de l'ensemble de la broche principale d'une machine d'équilibrage, tournant sur deux roulements à butée radiale, chacun ayant son propre logement indépendant 1 et 2. Une bride 4, destinée au montage d'un cardan, et une poulie 5, utilisée pour transmettre la rotation à la broche depuis le moteur électrique à l'aide d'une courroie trapézoïdale, sont montées sur l'arbre de la broche 3.

Figure 3.19. Exemple de conception d'une broche sur deux supports de roulements indépendants

Figures 3.20 et 3.21 montrent deux conceptions étroitement liées d'assemblages de broches de tête. Dans les deux cas, les roulements de la broche sont installés dans un boîtier commun 1, qui présente un trou axial traversant nécessaire à l'installation de l'arbre de la broche. A l'entrée et à la sortie de ce trou, le boîtier présente des alésages spéciaux (non représentés sur les figures), conçus pour recevoir des butées radiales (à rouleaux ou à billes) et des couvercles de bride spéciaux 5, utilisés pour fixer les bagues extérieures des roulements.

Figure 3.20. Exemple 1 d'une conception de broche directrice sur deux supports de roulements installés dans un logement commun

Figure 3.21. Exemple 2 de conception d'une broche directrice sur deux supports de roulements installés dans un logement commun

Comme dans la version précédente (voir Fig. 3.19), un plastron 2 est installé sur l'arbre de broche, destiné à la fixation par bride de l'arbre d'entraînement, et une poulie 3, utilisée pour transmettre la rotation à la broche à partir du moteur électrique par l'intermédiaire d'une courroie de transmission. Une branche 4 est également fixée à l'arbre de la broche, qui sert à déterminer la position angulaire de la broche, utilisée lors de l'installation de poids de test et de correction sur le rotor pendant l'équilibrage.

Figure 3.22. Exemple de conception d'une broche entraînée (arrière)

Figure 3.22 montre une variante de conception de l'ensemble de la broche entraînée (arrière) d'une machine, qui ne diffère de la broche principale que par l'absence de la poulie d'entraînement et de la courroie, car elles ne sont pas nécessaires.

Figure 3.23. Exemple de conception d'une broche entraînée (arrière)

Comme on peut le voir dans Figures 3.20 - 3.22Les ensembles de broches décrits ci-dessus sont fixés aux supports de roulements souples des machines à équilibrer à l'aide de brides spéciales (sangles) 6. D'autres méthodes de fixation peuvent également être utilisées si nécessaire, afin de garantir une rigidité et une précision adéquates dans le positionnement de l'ensemble de la broche sur le support.

Figure 3.23 illustre une conception de montage à bride similaire à cette broche, qui peut être utilisée pour son installation sur un support de roulement dur d'une machine d'équilibrage.

3.2.1.3.4. Calcul de la rigidité de la broche et du faux-rond radial

Pour déterminer la rigidité de la broche et le faux-rond radial prévu, la formule 3.4 peut être utilisée (voir le schéma de calcul de la figure 3.24) :

où :

• Y - déplacement élastique de la broche à l'extrémité de la console de broche, cm ;
• P - charge calculée agissant sur la console de la broche, kg ;
• A - support de palier arrière de la broche ;
• B - support de palier avant de la broche ;
• g - longueur de la console de la broche, cm ;
• c - distance entre les supports A et B de la broche, cm ;
• J1 - moment d'inertie moyen de la section de broche entre les supports, cm⁴;
• J2 - moment d'inertie moyen de la section de console de broche, cm⁴;
• jB et jA - rigidité des roulements pour les supports avant et arrière de la broche, respectivement, kg/cm.

En transformant la formule 3.4, on obtient la valeur calculée souhaitée de la rigidité de l'ensemble de la broche jшп peut être déterminée :

Compte tenu des recommandations de l'ouvrage [1] pour les machines d'équilibrage de taille moyenne, cette valeur ne devrait pas être inférieure à 50 kg/µm.

Pour le calcul du faux-rond radial, la formule 3.5 est utilisée :

où :

• ∆ est le battement radial à l'extrémité de la console de la broche, en µm ;
• ∆B est le battement radial du roulement de la broche avant, en µm ;
• ∆A est le battement radial du roulement de la broche arrière, en µm ;
• g est la longueur de la console de la broche, en cm ;
• c est la distance entre les supports A et B de la broche, en cm.

3.2.1.3.5. Respect des exigences en matière d'équilibre de la broche

Les ensembles de broches des machines d'équilibrage doivent être parfaitement équilibrés, car tout déséquilibre réel se répercute sur le rotor en cours d'équilibrage, générant ainsi une erreur supplémentaire. Lors de la définition des tolérances technologiques pour le déséquilibre résiduel de la broche, il est généralement conseillé que la classe de précision de son équilibrage soit supérieure d'au moins une à deux classes à celle du produit équilibré sur la machine.

Compte tenu des caractéristiques de conception des broches évoquées ci-dessus, leur équilibrage doit être effectué sur deux plans.

3.2.1.3.6. Garantir la capacité de charge et les exigences de durabilité des roulements de broche

Lors de la conception de broches et du choix des dimensions des roulements, il est conseillé d'évaluer au préalable la durabilité et la capacité de charge de ces derniers. La méthodologie de calcul est détaillée dans la norme ISO 18855-94 (ISO 281-89) " Roulements – Capacités de charge dynamique et durée de vie nominale " [3], ainsi que dans de nombreux manuels (y compris numériques) consacrés aux roulements.

3.2.1.3.7. Exigences relatives à l'échauffement acceptable des roulements de broche

Selon les recommandations des travaux [1], l'échauffement maximal autorisé des bagues extérieures des roulements de broche ne doit pas dépasser 70°C. Cependant, pour assurer un équilibrage de qualité, l'échauffement recommandé des bagues extérieures ne doit pas dépasser 40 - 45°C.

3.2.1.3.8. Choix du type d'entraînement par courroie et de la conception de la poulie d'entraînement de la broche

Lors de la conception de la broche d'entraînement d'une machine à équilibrer, il est recommandé d'assurer sa rotation à l'aide d'une courroie plate. Un exemple de l'utilisation correcte d'un tel entraînement pour le fonctionnement de la broche est présenté dans le document Figures 3.20 et 3.23. L’utilisation de transmissions par courroie trapézoïdale ou par courroie crantée est déconseillée, car elle peut engendrer des charges dynamiques supplémentaires sur la broche en raison des imprécisions géométriques des courroies et des poulies, ce qui peut entraîner des erreurs de mesure supplémentaires lors de l’équilibrage. Les exigences recommandées pour les poulies destinées aux transmissions par courroie plate sont décrites dans la norme ISO 17383-73 " Poulies pour transmissions par courroie plate " [4].

La poulie d'entraînement doit être placée à l'extrémité arrière de la broche, aussi près que possible du palier (avec le moins de porte-à-faux possible). La décision de placer la poulie en porte-à-faux a été prise lors de la fabrication de l'axe illustré à la page suivante. Figure 3.19peut être considérée comme infructueuse, car elle augmente considérablement le moment de la charge d'entraînement dynamique agissant sur les supports de broche.

Un autre inconvénient important de cette conception est l'utilisation d'une courroie trapézoïdale, dont les imprécisions de fabrication et d'assemblage peuvent également être à l'origine d'une charge supplémentaire indésirable sur la broche.

3.3. Lit (cadre)

Le banc est la principale structure de support de la machine à équilibrer, sur laquelle reposent ses principaux éléments, notamment les montants de support et le moteur d'entraînement. Lors de la sélection ou de la fabrication du banc d'une machine à équilibrer, il est nécessaire de s'assurer qu'il répond à plusieurs exigences, notamment la rigidité nécessaire, la précision géométrique, la résistance aux vibrations et la résistance à l'usure de ses guides.

La pratique montre que lors de la fabrication de machines pour leurs propres besoins, les options de lit suivantes sont le plus souvent utilisées :

• des lits en fonte provenant de machines à découper le métal usagées (tours, travail du bois, etc.) ;
• Lits assemblés sur la base de rails, assemblés à l'aide de boulons ;
• des lits soudés basés sur des canaux ;
• des lits en béton polymère avec des revêtements absorbant les vibrations.

Figure 3.25. Exemple d'utilisation d'un banc de machine à bois usagé pour la fabrication d'une machine à équilibrer les cardans.

3.4. Entraînements pour machines d'équilibrage

Comme le montre l'analyse des solutions de conception utilisées par nos clients pour la fabrication de machines d'équilibrage, ils se concentrent principalement sur l'utilisation de moteurs à courant alternatif équipés de variateurs de fréquence lors de la conception des entraînements. Cette approche permet d'obtenir une large gamme de vitesses de rotation réglables pour les rotors équilibrés avec un coût minimal. La puissance des moteurs d'entraînement principaux utilisés pour faire tourner les rotors équilibrés est généralement choisie en fonction de la masse de ces rotors et peut approximativement être.. :

• 0,25 - 0,72 kW pour les machines conçues pour l'équilibrage de rotors d'une masse ≤ 5 kg ;
• 0,72 - 1,2 kW pour les machines conçues pour l'équilibrage de rotors d'une masse > 5 ≤ 50 kg ;
• 1,2 - 1,5 kW pour les machines conçues pour l'équilibrage de rotors d'une masse > 50 ≤ 100 kg ;
• 1,5 - 2,2 kW pour les machines conçues pour l'équilibrage de rotors d'une masse > 100 ≤ 500 kg ;
• 2,2 - 5 kW pour les machines conçues pour l'équilibrage de rotors d'une masse > 500 ≤ 1000 kg ;
• 5 - 7,5 kW pour les machines conçues pour l'équilibrage de rotors d'une masse > 1000 ≤ 3000 kg.

Ces moteurs doivent être montés de manière rigide sur le bâti de la machine ou sur ses fondations. Avant d'être installé sur la machine (ou sur le site d'installation), le moteur d'entraînement principal, ainsi que la poulie montée sur son arbre de sortie, doivent être soigneusement équilibrés. Pour réduire les interférences électromagnétiques causées par le variateur de fréquence, il est recommandé d'installer des filtres de réseau à son entrée et à sa sortie. Il peut s'agir de produits standard fournis par les fabricants des variateurs ou de filtres faits maison à l'aide d'anneaux de ferrite.

4. Systèmes de mesure des machines à équilibrer

La plupart des fabricants amateurs de machines d'équilibrage qui contactent la société " Kinematics " (Vibromera) prévoient d'utiliser les systèmes de mesure de la série " Balanset " fabriqués par notre entreprise. Cependant, certains clients envisagent de fabriquer eux-mêmes ces systèmes. Il est donc pertinent d'examiner plus en détail la conception d'un système de mesure pour une machine d'équilibrage. Ces systèmes doivent impérativement fournir des mesures de haute précision de l'amplitude et de la phase de la composante rotationnelle du signal vibratoire, qui apparaît à la fréquence de rotation du rotor équilibré. Cet objectif est généralement atteint grâce à une combinaison de solutions techniques, notamment :

• Utilisation de capteurs de vibrations avec un coefficient de conversion du signal élevé ;
• Utilisation de capteurs d'angle de phase laser modernes ;
• Création (ou utilisation) de matériel permettant l'amplification et la conversion numérique des signaux des capteurs (traitement primaire des signaux) ;
• Mise en œuvre d'un traitement logiciel du signal vibratoire, qui devrait permettre l'extraction haute résolution et stable de la composante rotationnelle du signal vibratoire, se manifestant à la fréquence de rotation du rotor équilibré (traitement secondaire).

Nous examinerons ci-dessous des variantes connues de telles solutions techniques, mises en œuvre dans un certain nombre d'instruments d'équilibrage bien connus.

4.1. Sélection des capteurs de vibrations

Dans les systèmes de mesure des machines d'équilibrage, différents types de capteurs de vibrations (transducteurs) peuvent être utilisés :

• Capteurs d'accélération des vibrations (accéléromètres) ;
• Capteurs de vitesse de vibration ;
• Capteurs de déplacement vibratoire ;
• Capteurs de force.

4.1.1. Capteurs de vibrations et d'accélération

Parmi les capteurs d'accélération vibratoire, les accéléromètres piézoélectriques et capacitifs (à puce) sont les plus répandus et conviennent parfaitement aux machines d'équilibrage à paliers souples. En pratique, on peut généralement utiliser des capteurs d'accélération vibratoire avec des coefficients de conversion (Kpr) compris entre 10 et 30 mV/(m/s²). Pour les machines d'équilibrage exigeant une précision d'équilibrage particulièrement élevée, il est conseillé d'utiliser des accéléromètres dont le Kpr atteint ou dépasse 100 mV/(m/s²). À titre d'exemple, la figure 4.1 présente les accéléromètres piézoélectriques DN3M1 et DN3M1V6, fabriqués par la société Izmeritel.

Figure 4.1. Accéléromètres piézoélectriques DN 3M1 et DN 3M1V6

Pour connecter ces capteurs aux instruments et systèmes de mesure des vibrations, il est nécessaire d'utiliser des amplificateurs de charge externes ou intégrés.

Figure 4.2. Accéléromètres capacitifs AD1 Fabriqués par LLC " Kinematics " (Vibromera)

Il convient de noter que ces capteurs, qui comprennent les cartes d'accéléromètres capacitifs ADXL 345 largement utilisées sur le marché (voir figure 4.3), présentent plusieurs avantages significatifs par rapport aux accéléromètres piézoélectriques. En particulier, ils sont 4 à 8 fois moins chers pour des caractéristiques techniques similaires. En outre, ils ne nécessitent pas l'utilisation d'amplificateurs de charge coûteux et difficiles à utiliser pour les accéléromètres piézoélectriques.

Lorsque les deux types d'accéléromètres sont utilisés dans les systèmes de mesure des machines d'équilibrage, une intégration matérielle (ou double intégration) des signaux des capteurs est généralement réalisée.

Figure 4.2. Accéléromètres capacitifs AD 1, assemblés.

Figure 4.2. Accéléromètres capacitifs AD1 Fabriqués par LLC " Kinematics " (Vibromera)

Il convient de noter que ces capteurs, qui comprennent les cartes d'accéléromètres capacitifs ADXL 345 largement utilisées sur le marché (voir figure 4.3), présentent plusieurs avantages significatifs par rapport aux accéléromètres piézoélectriques. En particulier, ils sont 4 à 8 fois moins chers pour des caractéristiques techniques similaires. En outre, ils ne nécessitent pas l'utilisation d'amplificateurs de charge coûteux et difficiles à utiliser pour les accéléromètres piézoélectriques.

Figure 4.3. Carte d'accéléromètre capacitif ADXL 345.

Dans ce cas, le signal initial du capteur, proportionnel à l'accélération vibratoire, est transformé en un signal proportionnel à la vitesse ou au déplacement vibratoire. La procédure de double intégration du signal de vibration est particulièrement pertinente lors de l'utilisation d'accéléromètres dans les systèmes de mesure des machines d'équilibrage à basse vitesse, où la plage de fréquence de rotation inférieure du rotor pendant l'équilibrage peut atteindre 120 tr/min ou moins. Lors de l'utilisation d'accéléromètres capacitifs dans les systèmes de mesure des machines d'équilibrage, il faut tenir compte du fait qu'après intégration, leurs signaux peuvent contenir des interférences à basse fréquence, se manifestant dans la gamme de fréquences de 0,5 à 3 Hz. Cela peut limiter la plage de fréquence inférieure de l'équilibrage sur les machines destinées à utiliser ces capteurs.

4.1.2. Capteurs de vitesse de vibration

4.1.2.1. Capteurs de vitesse à vibration inductive.

Ces capteurs comprennent une bobine inductive et un noyau magnétique. Lorsque la bobine vibre par rapport à un noyau fixe (ou le noyau par rapport à une bobine fixe), une force électromotrice est induite dans la bobine, dont la tension est directement proportionnelle à la vitesse de vibration de l'élément mobile du capteur. Les coefficients de conversion (Кпр) des capteurs inductifs sont généralement très élevés, atteignant plusieurs dizaines, voire centaines de mV/mm/sec. En particulier, le coefficient de conversion du capteur Schenck modèle T77 est de 80 mV/mm/sec, et pour le capteur IRD Mechanalysis modèle 544M, il est de 40 mV/mm/sec. Dans certains cas (par exemple, dans les machines à équilibrer Schenck), on utilise des capteurs de vitesse de vibration inductifs spéciaux très sensibles avec un amplificateur mécanique, où Кпр peut dépasser 1000 mV/mm/sec. Si des capteurs inductifs de vitesse de vibration sont utilisés dans les systèmes de mesure des machines d'équilibrage, l'intégration matérielle du signal électrique proportionnel à la vitesse de vibration peut également être effectuée, en le convertissant en un signal proportionnel au déplacement de la vibration.

Figure 4.4. Capteur modèle 544M par IRD Mechanalysis.

Figure 4.5. Capteur modèle T77 de Schenck

Il convient de noter qu'en raison de l'intensité de la main-d'œuvre nécessaire à leur production, les capteurs inductifs de vitesse de vibration sont des articles assez rares et coûteux. Par conséquent, malgré les avantages évidents de ces capteurs, les fabricants amateurs de machines d'équilibrage ne les utilisent que très rarement.

4.2. Capteurs d'angle de phase

Pour synchroniser le processus de mesure des vibrations avec l'angle de rotation du rotor équilibré, on utilise des capteurs d'angle de phase, tels que des capteurs laser (photoélectriques) ou inductifs. Ces capteurs sont fabriqués selon différents modèles par des producteurs nationaux et internationaux. Leur prix varie considérablement, d'environ 40 à 200 dollars. À titre d'exemple, citons le capteur d'angle de phase fabriqué par Diamex, illustré figure 4.11.

Figure 4.11 : Capteur d'angle de phase de " Diamex "

À titre d’exemple, la figure 4.12 montre un modèle mis en œuvre par LLC "Kinematics" (Vibromera), qui utilise des tachymètres laser du modèle DT 2234C fabriqués en Chine comme capteurs d’angle de phase. Les avantages évidents de ce capteur sont les suivants :

• Une large plage de fonctionnement, permettant de mesurer la fréquence de rotation du rotor de 2,5 à 99 999 tours par minute, avec une résolution d'au moins un tour ;
• Affichage numérique ;
• Facilité de réglage du tachymètre pour les mesures ;
• Abordabilité et faible coût du marché ;
• Simplicité relative de la modification pour l'intégration dans le système de mesure d'une machine à équilibrer.

Figure 4.12 : Tachymètre laser modèle DT 2234C

Dans certains cas, lorsque l'utilisation de capteurs laser optiques n'est pas souhaitable pour une raison quelconque, ils peuvent être remplacés par des capteurs de déplacement inductifs sans contact, tels que le modèle ISAN E41A mentionné précédemment ou des produits similaires d'autres fabricants.

4.3. Caractéristiques du traitement du signal dans les capteurs de vibrations

Pour mesurer avec précision l'amplitude et la phase de la composante rotative du signal de vibration dans les équipements d'équilibrage, on utilise généralement une combinaison d'outils de traitement matériels et logiciels. Ces outils permettent

• Filtrage matériel à large bande du signal analogique du capteur ;
• Amplification du signal analogique du capteur ;
• Intégration et/ou double intégration (si nécessaire) du signal analogique ;
• Filtrage à bande étroite du signal analogique à l'aide d'un filtre de poursuite ;
• Conversion analogique-numérique du signal ;
• Filtrage synchrone du signal numérique ;
• Analyse harmonique du signal numérique.

4.3.1. Filtrage des signaux à large bande

Cette procédure est essentielle pour éliminer les interférences potentielles du signal du capteur de vibrations, qui peuvent survenir aux limites inférieure et supérieure de sa plage de fréquences. Il est conseillé, pour l'appareil de mesure d'une machine d'équilibrage, de régler la limite inférieure du filtre passe-bande entre 2 et 3 Hz et la limite supérieure à 50 (100) Hz. Le filtrage des basses fréquences permet de supprimer les bruits de basse fréquence susceptibles d'apparaître à la sortie de différents types d'amplificateurs de mesure de capteurs. Le filtrage des hautes fréquences élimine les interférences dues aux combinaisons de fréquences et aux vibrations de résonance potentielles des composants mécaniques de la machine.

4.3.2. Amplification du signal analogique provenant du capteur

S'il est nécessaire d'accroître la sensibilité du système de mesure de la machine d'équilibrage, les signaux provenant des capteurs de vibrations et acheminés vers l'entrée de l'unité de mesure peuvent être amplifiés. On peut utiliser aussi bien des amplificateurs standard à gain constant que des amplificateurs multi-étages, dont le gain est programmable en fonction du niveau réel du signal du capteur. À titre d'exemple, on peut citer les amplificateurs intégrés dans les convertisseurs de mesure de tension tels que les modèles E154 ou E14-140 de la société L-Card.

4.3.3. Intégration

Comme indiqué précédemment, l'intégration matérielle et/ou la double intégration des signaux des capteurs de vibrations sont recommandées dans les systèmes de mesure des machines d'équilibrage. Ainsi, le signal initial de l'accéléromètre, proportionnel à la vibroaccélération, peut être transformé en un signal proportionnel à la vibro-vitesse (intégration) ou au vibro-déplacement (double intégration). De même, le signal du capteur de vibro-vitesse après intégration peut être transformé en un signal proportionnel au vibro-déplacement.

4.3.4. Filtrage à bande étroite du signal analogique à l'aide d'un filtre de poursuite

Pour réduire les interférences et améliorer la qualité du traitement du signal vibratoire dans les systèmes de mesure des machines d'équilibrage, on peut utiliser des filtres suiveurs à bande étroite. La fréquence centrale de ces filtres est automatiquement ajustée à la fréquence de rotation du rotor équilibré grâce au signal du capteur de vitesse de rotation de ce dernier. Des circuits intégrés modernes, tels que les MAX263, MAX264, MAX267 et MAX268 de MAXIM, permettent de réaliser de tels filtres.

4.3.5. Conversion analogique-numérique des signaux

La conversion analogique-numérique (CAN) est une étape cruciale qui permet d'améliorer la qualité du traitement du signal vibratoire lors de la mesure de l'amplitude et de la phase. Cette étape est mise en œuvre dans tous les systèmes de mesure modernes des machines d'équilibrage. À titre d'exemple, on peut citer les convertisseurs de mesure de tension de type E154 ou E14-140 de la société L-Card, utilisés dans plusieurs systèmes de mesure de machines d'équilibrage fabriquées par Kinematics (Vibromera). Par ailleurs, Kinematics (Vibromera) possède une expérience dans l'utilisation de systèmes à microprocesseur plus économiques, basés sur des contrôleurs Arduino, le microcontrôleur PIC18F4620 de Microchip et des dispositifs similaires.

4.1.2.2. Capteurs de vitesse de vibration basés sur des accéléromètres piézoélectriques

Ce type de capteur se distingue d'un accéléromètre piézoélectrique standard par l'intégration d'un amplificateur de charge et d'un intégrateur dans son boîtier, ce qui lui permet de fournir un signal proportionnel à la vitesse de vibration. À titre d'exemple, les capteurs de vitesse de vibration piézoélectriques fabriqués par des producteurs chinois (ZETLAB et Vibropribor) sont présentés sur les figures 4.6 et 4.7.

Figure 4.6. Modèle de capteur AV02 de ZETLAB (Russie)

Figure 4.7. Capteur modèle DVST 2 de LLC " Vibropribor "

Ces capteurs sont fabriqués par divers producteurs (nationaux et étrangers) et sont actuellement largement utilisés, en particulier dans les équipements vibrants portables. Le coût de ces capteurs est assez élevé et peut atteindre 20 000 à 30 000 roubles l'unité, même chez les fabricants nationaux.

4.1.3. Capteurs de déplacement

Dans les systèmes de mesure des machines d'équilibrage, on peut également utiliser des capteurs de déplacement sans contact, capacitifs ou inductifs. Ces capteurs fonctionnent en mode statique, permettant l'enregistrement des vibrations dès 0 Hz. Leur utilisation est particulièrement efficace pour l'équilibrage de rotors à basse vitesse (inférieure ou égale à 120 tr/min). Leurs coefficients de conversion peuvent atteindre 1000 mV/mm, voire plus, ce qui garantit une grande précision et une haute résolution de la mesure du déplacement, même sans amplification supplémentaire. Un avantage majeur de ces capteurs est leur coût relativement faible, qui, chez certains fabricants russes, n'excède pas 1000 roubles. Lors de leur utilisation dans les machines d'équilibrage, il est important de noter que l'entrefer nominal entre l'élément sensible du capteur et la surface de l'objet vibrant est limité par le diamètre de la bobine du capteur. Par exemple, pour le capteur illustré à la figure 4.8, modèle ISAN E41A de " TEKO ", l'écart de travail spécifié est généralement de 3,8 à 4 mm, ce qui permet la mesure du déplacement de l'objet vibrant dans la plage de ±2,5 mm.

Figure 4.8. Capteur de déplacement inductif modèle ISAN E41A par TEKO (Russie)

4.1.4. Capteurs de force

Comme indiqué précédemment, des capteurs de force sont utilisés dans les systèmes de mesure installés sur les machines à équilibrer les roulements durs. Ces capteurs, notamment en raison de leur simplicité de fabrication et de leur coût relativement faible, sont généralement des capteurs de force piézoélectriques. Les figures 4.9 et 4.10 présentent des exemples de ces capteurs.

Figure 4.9. Capteur de force SD 1 par Kinematika LLC

Figure 4.10 : Capteur de force pour machines d'équilibrage automobile, vendu par " STO Market "

Les capteurs de force à jauge de contrainte, qui sont fabriqués par un large éventail de producteurs nationaux et étrangers, peuvent également être utilisés pour mesurer les déformations relatives des supports des machines à équilibrer Hard Bearing.

4.4. Schéma fonctionnel du système de mesure de la machine d'équilibrage " Balanset 2 "

Le système de mesure " Balanset 2 " représente une approche moderne de l’intégration des fonctions de mesure et de calcul dans les machines d’équilibrage. Ce système assure le calcul automatique des masses correctives par la méthode du coefficient d’influence et s’adapte à différentes configurations de machines.

Le schéma fonctionnel comprend le conditionnement du signal, la conversion analogique-numérique, le traitement numérique du signal et des algorithmes de calcul automatique. Le système peut gérer avec une grande précision les scénarios d'équilibrage à deux plans et à plusieurs plans.

4.5. Calcul des paramètres des masses de correction utilisées pour l'équilibrage du rotor

Le calcul des masses correctives repose sur la méthode du coefficient d'influence, qui détermine la réponse du rotor aux masses d'essai dans différents plans. Cette méthode est fondamentale pour tous les systèmes d'équilibrage modernes et fournit des résultats précis pour les rotors rigides et flexibles.

4.5.1. Tâche d'équilibrage des rotors bi-supports et méthodes de résolution de ce problème

Pour les rotors à double support (configuration la plus courante), l'équilibrage consiste à déterminer deux masses correctives, une pour chaque plan de correction. La méthode du coefficient d'influence utilise l'approche suivante :

1. Mesure initiale (Exécution 0) : Mesurer les vibrations sans poids d'essai
2. Premier essai (Essai 1) : Ajouter un poids d'essai connu au plan 1, mesurer la réponse
3. Deuxième essai (Essai 2) : Déplacez le poids d'essai vers le plan 2 et mesurez la réponse.
4. Calcul: Le logiciel calcule les coefficients de correction permanents en fonction des réponses mesurées.

Le fondement mathématique consiste à résoudre simultanément un système d'équations linéaires reliant l'influence du poids d'essai aux corrections requises dans les deux plans.

Figures 3.26 et 3.27 montrent des exemples d'utilisation de bancs de tournage, sur la base desquels ont été fabriquées une machine Hard Bearing spécialisée dans l'équilibrage des vis sans fin et une machine Soft Bearing universelle pour l'équilibrage des rotors cylindriques. Pour les fabricants bricoleurs, ces solutions permettent de créer un système de support rigide pour la machine d'équilibrage avec un minimum de temps et de coût, sur lequel des supports de différents types (Hard Bearing et Soft Bearing) peuvent être montés. Dans ce cas, la principale tâche du fabricant est de garantir (et de restaurer si nécessaire) la précision géométrique des guides de la machine sur lesquels reposeront les supports. Dans les conditions de production du bricolage, un grattage fin est généralement utilisé pour restaurer la précision géométrique requise des guides.

Figure 3.28 montre une version d'un lit assemblé à partir de deux canaux. Dans la fabrication de ce lit, des connexions boulonnées détachables sont utilisées, ce qui permet de minimiser ou d'éliminer complètement la déformation du lit pendant l'assemblage sans opérations technologiques supplémentaires. Pour garantir la précision géométrique des guides du lit spécifié, il peut être nécessaire de procéder à un traitement mécanique (meulage, fraisage fin) des brides supérieures des canaux utilisés.

Figures 3.29 et 3.30 présentent des variantes de lits soudés, également constitués de deux canaux. La technologie de fabrication de ces lits peut nécessiter une série d'opérations supplémentaires, telles qu'un traitement thermique pour réduire les tensions internes qui se produisent pendant le soudage. Comme pour les lits assemblés, il convient de prévoir un traitement mécanique (meulage, fraisage fin) des brides supérieures des canaux utilisés afin de garantir la précision géométrique des guides des lits soudés.

4.5.2. Méthodologie pour l'équilibrage dynamique des rotors multi-supports

Les rotors à appuis multiples (trois ou quatre points d'appui) nécessitent des procédures d'équilibrage plus complexes. Chaque point d'appui contribue au comportement dynamique global, et la correction doit tenir compte des interactions entre tous les plans.

La méthodologie étend l'approche à deux plans en :

• Mesure des vibrations à tous les points d'appui
• Utilisation de plusieurs positions de poids d'essai
• Résolution de systèmes d'équations linéaires plus grands
• Optimisation de la répartition des poids de correction

Pour les arbres de transmission et les rotors longs similaires, cette approche permet généralement d'atteindre des niveaux de déséquilibre résiduel correspondant aux classes de qualité ISO G6.3 ou supérieures.

4.5.3. Calculateurs pour l'équilibrage des rotors multi-supports

Des algorithmes de calcul spécialisés ont été développés pour les configurations de rotors à trois et quatre supports. Ces calculateurs sont intégrés au logiciel Balanset-4 et peuvent traiter automatiquement les géométries de rotors complexes.

Les calculateurs prennent en compte :

• rigidité de support variable
• Couplage croisé entre les plans de correction
• Optimisation du placement du poids pour l'accessibilité
• Vérification des résultats calculés

5. Recommandations pour le contrôle du fonctionnement et de la précision des machines à équilibrer

La précision et la fiabilité d'une machine d'équilibrage dépendent de nombreux facteurs, notamment la précision géométrique de ses composants mécaniques, les caractéristiques dynamiques des supports et la capacité opérationnelle du système de mesure. La vérification régulière de ces paramètres garantit une qualité d'équilibrage constante et permet d'identifier les problèmes potentiels avant qu'ils n'affectent la production.

5.1. Vérification de la précision géométrique de la machine

La vérification de la précision géométrique comprend le contrôle de l'alignement des supports, du parallélisme des guides et de la concentricité des ensembles de broche. Ces contrôles doivent être effectués lors de la mise en service initiale et périodiquement en cours de fonctionnement afin de garantir le maintien de la précision.

5.2. Vérification des caractéristiques dynamiques de la machine

La vérification des caractéristiques dynamiques consiste à mesurer les fréquences propres des supports et des composants du châssis afin de s'assurer qu'elles sont correctement séparées des fréquences de fonctionnement. Ceci permet d'éviter les problèmes de résonance susceptibles de compromettre la précision de l'équilibrage.

5.3. Vérification de la capacité opérationnelle du système de mesure

La vérification du système de mesure comprend l'étalonnage des capteurs, la vérification de l'alignement de phase et le contrôle de la précision du traitement du signal. Ceci garantit une mesure fiable de l'amplitude et de la phase des vibrations à toutes les vitesses de fonctionnement.

5.4. Vérification des caractéristiques de précision selon la norme ISO 20076-2007

La norme ISO 20076-2007 définit des procédures normalisées pour vérifier la précision des machines d'équilibrage à l'aide de rotors d'essai étalonnés. Ces procédures permettent de valider les performances de la machine par rapport aux normes internationales reconnues.

Littérature

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