Grade de qualité de l'équilibre (G-Grade) : Définition, objectif et application
Qu'est-ce qu'un grade de qualité d'équilibre (G-Grade) ?
A Équilibre Qualité Grade, Le degré G, communément appelé “degré G”, est une classification normalisée définie dans les normes ISO 1940-1 et ISO 21940-11 qui spécifie le déséquilibre résiduel maximal admissible pour un rotor. En d'autres termes, le grade G indique avec quelle précision un rotor doit être équilibré. Il ne mesure pas directement les niveaux de vibration, mais définit plutôt une tolérance de déséquilibre basée sur la masse du rotor et sa vitesse de fonctionnement maximale.
Le nombre qui suit la lettre G (par exemple, G6.3, G2.5) correspond à la vitesse de vibration maximale du centre de masse du rotor, exprimée en millimètres par seconde (mm/s). Par exemple, le degré G6.3 signifie que le centre de masse du rotor ne doit pas subir de vibrations supérieures à 6,3 mm/s à la vitesse maximale de fonctionnement, tandis que le degré G2.5, plus strict, limite cette vitesse à 2,5 mm/s. Plus l'indice G est faible, plus les exigences en matière d'équilibrage sont strictes : la tolérance de déséquilibre est plus faible et la précision de l'équilibrage est plus élevée.
L'objectif du système G-Grade
Le système G-grade a été développé pour établir une norme universelle définissant la qualité de l'équilibrage d'un rotor. Au lieu de déclarations vagues telles que “le rotor doit être bien équilibré”, les ingénieurs peuvent spécifier un objectif précis et vérifiable tel que “équilibrer selon G6.3”. Cette norme fournit un langage commun aux fabricants, aux techniciens de maintenance et aux clients, garantissant que les équipements répondent aux normes de fiabilité et de sécurité requises. Les principaux objectifs du système de qualité G sont les suivants :
Limiter les vibrations dues au déséquilibre à des niveaux acceptables. Un déséquilibre entraîne des forces centrifuges et des vibrations qui peuvent être à l'origine de bruits, de défaillances dues à la fatigue et d'accidents. En appliquant des niveaux d'équilibre standard, ces vibrations peuvent être contrôlées dans des limites sûres.
Minimiser les charges dynamiques sur les roulements et prolonger leur durée de vie. Les vibrations continues agissent sur les roulements comme un marteau, accélérant leur usure. En limitant le balourd grâce à la qualité G requise, les forces agissant sur les roulements sont réduites, ce qui prolonge leur durée de vie.
Assurer un fonctionnement sûr du rotor à la vitesse maximale prévue. Plus la vitesse de rotation est élevée, plus l'effet d'un déséquilibre, même minime, est important. Un degré d'équilibrage strict garantit que le rotor ne subira pas de vibrations destructrices à sa vitesse de fonctionnement. Ceci est particulièrement important pour les machines à grande vitesse (turbines, compresseurs, etc.), où un déséquilibre excessif peut entraîner une défaillance.
Fournir un critère d'acceptation clair et mesurable. L'existence d'une norme de qualité G permet de vérifier, au cours de la fabrication et de la réparation, si le niveau d'équilibrage requis a été atteint. Si le balourd résiduel après l'équilibrage ne dépasse pas la valeur autorisée pour la catégorie G donnée, le rotor est considéré comme ayant passé l'inspection. Cette approche transforme l'équilibrage d'un art en une science précise avec des critères vérifiables.
Comment sont déterminées les notes de qualité d'équilibre ?
Les normes ISO contiennent des recommandations pour la sélection des degrés G pour des centaines de rotors et de machines typiques. Les tableaux de la norme (par exemple, ISO 1940-1, maintenant remplacée par ISO 21940-11) énumèrent les grades G recommandés pour diverses catégories d'équipement. Le choix d'un grade spécifique dépend de plusieurs facteurs :
Type de machine et objectif. Une turbine à grande vitesse ou une broche de précision nécessite un équilibrage beaucoup plus précis (G inférieur) qu'un mécanisme agricole à faible vitesse. Les concepteurs tiennent compte de la sensibilité d'un type de machine donné aux vibrations et des conséquences qu'un déséquilibre peut avoir.
Masse et dimensions du rotor. Les rotors plus légers sont généralement plus sensibles au balourd et peuvent être soumis à des exigences plus strictes. La masse du rotor entre directement dans le calcul du balourd admissible - un rotor plus lourd peut “tolérer” un balourd absolu un peu plus important sans augmenter les vibrations par rapport à un rotor plus léger.
Vitesse de rotation maximale. C'est l'un des facteurs clés : plus la vitesse est élevée, plus l'équilibre doit être strict. Pour une même amplitude de déséquilibre, les forces augmentent proportionnellement au carré de la vitesse de rotation. C'est pourquoi un grade G inférieur est choisi pour les rotors à grande vitesse afin de compenser l'effet de la vitesse.
Structure de support et conditions de montage. Un rotor monté sur des supports flexibles (élastiques) nécessite généralement un équilibrage plus minutieux qu'un rotor monté sur une fondation rigide, car un système flexible amortit moins efficacement les vibrations. Par exemple, des grades différents (G16 ou G40) peuvent s'appliquer au même vilebrequin selon que le moteur est monté sur des isolateurs de vibrations élastiques ou rigides.
Exemples de niveaux de qualité d'équilibre courants
| Catégorie G | Vitesse max. Vitesse (mm/s) | Applications typiques |
|---|---|---|
| G 40 | 40 mm/s | Roues et jantes de voitures ; vilebrequins pour moteurs à combustion interne à faible vitesse (bas régime). |
| G 16 | 16 mm/s | Pièces pour concasseurs et machines agricoles ; arbres de transmission (cardans) ; gros composants de machines d'usage général aux exigences modérées. |
| G 6.3 | 6,3 mm/s | Nuance standard pour la plupart des équipements industriels : rotors de moteurs électriques, roues de pompes, ventilateurs, turbocompresseurs à basse vitesse, machines de traitement général. La nuance G6.3 est l'une des plus couramment spécifiées. |
| G 2.5 | 2,5 mm/s | Rotors à grande vitesse et de haute précision : turbines à gaz et à vapeur, rotors de turbocompresseurs, entraînements de machines-outils, broches de haute précision et machines électriques à grande vitesse. |
| G 1.0 | 1,0 mm/s | Équilibrage très précis pour les mécanismes de précision : entraînements de rectifieuses, petits moteurs électriques à grande vitesse et turbocompresseurs automobiles. |
| G 0.4 | 0,4 mm/s | Précision d'équilibrage maximale pour les dispositifs exceptionnellement sensibles et rapides : gyroscopes, broches de précision (par exemple, pour l'usinage de précision ou l'équipement microélectronique), disques durs et autres composants nécessitant un minimum de vibrations. |
Note : La valeur de la vitesse en mm/s dans la désignation du grade correspond au produit de l'excentricité spécifique et de la vitesse angulaire : G = epar-ω. Ainsi, le nombre G indique la vitesse limite du déplacement du centre de masse pendant le fonctionnement du rotor. Dans la pratique, la sélection du grade peut différer d'un niveau vers le haut ou vers le bas en fonction des exigences spécifiques et des conditions de fonctionnement.
Calcul du déséquilibre résiduel admissible
En connaissant l'indice G requis, vous pouvez calculer le déséquilibre résiduel maximal autorisé, c'est-à-dire la quantité de déséquilibre qui peut subsister après l'équilibrage sans dépasser l'indice spécifié. La norme ISO fournit la formule suivante :
Upar (g-mm) = (9549 × G [mm/s] × m [kg]) / n [RPM]
Où:
- Upar - déséquilibre résiduel admissible en grammes-millimètres (g-mm)
- G — qualité d'équilibrage (mm/s)
- m - masse du rotor (kg)
- n - vitesse maximale de fonctionnement (RPM)
Exemple: Pour un rotor d'une masse de 100 kg, tournant à une vitesse maximale de 3 000 tr/min, qui doit être équilibré au niveau G6.3, le déséquilibre résiduel admissible est le suivant :
Upar = (9549 × 6.3 × 100) / 3000 ≈ 2005 g-mm
Cela signifie qu'un balourd total d'environ 2005 g-mm est autorisé pour ce rotor sans dépasser G6.3. Dans la pratique, ce balourd résiduel est réparti entre les plans de correction. Pour l'équilibrage (dynamique) sur deux plans, la valeur calculée de Upar est réparti entre les plans de manière égale ou proportionnelle à la configuration du rotor. Ainsi, l'équilibriste reçoit un objectif numérique spécifique à atteindre.
Équilibrage pratique et équipement
Pour atteindre le degré d'équilibrage requis dans la pratique, des équipements spécialisés sont utilisés. Dans les conditions de fabrication, des machines d'équilibrage stationnaires sont généralement utilisées, où le rotor est tourné et corrigé jusqu'à ce que le déséquilibre résiduel tombe dans la norme pour la classe G sélectionnée.
Cependant, dans des conditions de terrain (par exemple, lorsque des vibrations se produisent dans un ventilateur ou une pompe déjà installés), des instruments d'équilibrage portables peuvent être utilisés. Un exemple est le Balanset-1A un vibromètre-équilibreur portable à deux canaux. Il permet un équilibrage dynamique sur un ou deux plans directement sur l'équipement in situ (sur place, sans dépose du rotor).
Fig. 1 : Vibromètre-équilibreur portable Balanset-1A connecté à un ordinateur portable. Cet appareil compact comprend un module de mesure électronique, deux capteurs de vibrations et un tachymètre laser, le contrôle et le calcul du déséquilibre étant effectués par un logiciel PC.
Fig. 1 : Fenêtre de calcul de la tolérance d'équilibrage dans le logiciel Balanset. Le programme comprend une calculatrice intégrée qui calcule automatiquement le balourd résiduel admissible conformément aux normes ISO 1940 en fonction de la masse du rotor, de la vitesse de fonctionnement et de la classe G sélectionnée.
L'appareil se connecte à un ordinateur portable, mesure les vibrations et la phase de déséquilibre à l'aide de capteurs et d'un tachymètre optique, après quoi le logiciel calcule automatiquement les poids de correction nécessaires. Parmi les caractéristiques du Balanset-1A figure le calcul automatique du déséquilibre admissible selon la norme ISO 1940 (grades G) - l'appareil détermine lui-même le niveau de vibration à réduire pour atteindre, par exemple, le grade G6.3 ou G2.5.
Les instruments d'équilibrage modernes tels que le Balanset-1A permettent d'atteindre le niveau d'équilibrage requis de manière plus rapide et plus fiable. Grâce à la terminologie standard des grades G et aux calculs de tolérance intégrés, les ingénieurs et les techniciens connaissent exactement les critères d'un équilibrage réussi. Ainsi, la normalisation de la qualité de l'équilibrage par le biais des grades G a permis d'établir un langage commun pour décrire le degré de “douceur” avec lequel un rotor spécifique doit fonctionner et atteindre ce niveau de fiabilité vibratoire en utilisant des méthodes compréhensibles et vérifiables dans le monde entier.
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