Comprendre les paliers lisses
Définition : Qu'est-ce qu'un palier lisse ?
A palier lisse (également appelé palier lisse, palier lisse ou palier à film fluide) est un type de palier qui supporte un arbre rotatif grâce à une fine pellicule de lubrifiant sous pression plutôt qu'à des éléments roulants. L'arbre rotatif (le “ tourillon ”) est séparé de la surface fixe du palier par un film d'huile hydrodynamique généré par la rotation de l'arbre, entraînant l'huile dans un espace convergent en forme de coin. Ce coin d'huile sous pression supporte la charge de l'arbre sans contact métal contre métal.
Les paliers lisses sont fondamentaux pour les machines rotatives à grande vitesse et à forte charge telles que les turbines, les générateurs et les gros compresseurs, car ils offrent une excellente capacité de charge, un faible frottement à haute vitesse et une grande résistance à la corrosion. amortissement qui aide à contrôler vibration et stabiliser rotor systèmes.
Principe de fonctionnement : lubrification hydrodynamique
Comment se forme le film d'huile
Le palier lisse fonctionne selon le principe de la lubrification hydrodynamique :
- Premier contact : À l'arrêt, l'arbre repose sur la surface du palier sous l'effet de la gravité
- Début de la rotation : Lorsque l'arbre commence à tourner, il entraîne l'huile dans l'espace par adhérence
- Formation en coin : La géométrie convergente entre l'arbre et le roulement crée un espace en forme de coin
- Génération de pression : Le pétrole entraîné dans un coin convergent génère une pression hydrodynamique
- Décollage: La force de pression dépasse le poids de l'arbre, le soulevant sur un film d'huile complet
- État stable: L'arbre flotte sur un film d'huile sous pression sans contact avec le métal
Épaisseur du film d'huile
- Épaisseur typique : 10 à 100 micromètres (0,0004 à 0,004 pouce)
- Extrêmement mince mais suffisant pour éviter tout contact
- L'épaisseur varie autour de la circonférence (minimum au point d'approche le plus proche)
- En fonction de la vitesse, de la charge, de la viscosité de l'huile et du jeu des roulements
Types de paliers lisses
1. Cylindrique simple (tourillon complet)
- Conception la plus simple : alésage cylindrique avec rainure d'alimentation en huile
- Angle d'enroulement à 360°
- Bonne capacité de charge mais peut être sujet à l'instabilité à grande vitesse
- Courant dans les moteurs, les pompes et les équipements industriels généraux
2. Roulements à arc partiel
- La surface d'appui ne couvre qu'une partie de la circonférence (120-180°)
- Poids plus léger, moins de débit d'huile requis
- Rigidité inférieure à celle d'un tourillon complet
- Utilisé dans les applications légèrement chargées
3. Roulements à patins inclinables
- Surface d'appui divisée en plusieurs patins indépendants qui pivotent
- Chaque plaquette développe son propre coin hydrodynamique
- Intrinsèquement stable contre les tourbillons/fouets d'huile
- Norme industrielle pour les turbomachines à grande vitesse
- Plus cher mais caractéristiques dynamiques supérieures
4. Barrage de pression et appuis décalés
- Roulements cylindriques modifiés avec des caractéristiques géométriques pour améliorer la stabilité
- Les rainures, les barrages ou les alésages décalés augmentent l'amortissement efficace
- Compromis entre un simple tampon cylindrique et un tampon inclinable
Caractéristiques dynamiques
Rigidité
La rigidité des paliers lisses est complexe et dépend de la vitesse :
- Basse vitesse : Faible rigidité, la position de l'arbre change considérablement avec la charge
- Grande vitesse: Rigidité accrue grâce à une pression hydrodynamique plus développée
- Variation directionnelle : Rigidité différente dans les directions horizontale et verticale
- Rigidité à couplage croisé : La déviation dans une direction crée une force dans la direction perpendiculaire
Amortissement
Les paliers lisses offrent un amortissement important :
- Énergie dissipée par cisaillement visqueux du film d'huile
- L'amortissement augmente avec la vitesse et la viscosité de l'huile
- Essentiel pour limiter les vibrations à vitesses critiques
- Essentiel pour prévenir instabilité du rotor
Dépendance à la vitesse
Toutes les propriétés des paliers lisses changent avec la vitesse de rotation :
- La rigidité augmente avec la vitesse
- L'amortissement augmente avec la vitesse
- Fréquences naturelles s'élever avec vitesse
- Vitesses critiques passer à la vitesse supérieure à mesure que la vitesse augmente
Avantages des paliers lisses
- Capacité de charge élevée : Peut supporter des rotors très lourds
- Capacité à grande vitesse : Convient aux vitesses allant jusqu'à 50 000 tr/min et plus
- Faible frottement à grande vitesse : Une fois le film hydrodynamique établi, le coefficient de frottement est très faible (0,001-0,003)
- Excellent amortissement : Contrôle les vibrations à des vitesses critiques
- Fonctionnement silencieux : Aucun bruit d'élément roulant
- Résistance aux chocs : Le film d'huile absorbe les charges transitoires
- Longue vie : L'absence de contact métallique signifie une usure minimale (des décennies de fonctionnement possibles)
- Conception simple : Les types de base sont simples et économiques
Inconvénients et défis
- Friction de démarrage élevée : Pas de film d'huile au repos, nécessite un couple de rupture
- Système de lubrification requis : Doit fournir de l'huile propre et refroidie en continu
- Risque de tourbillonnement/fouettage d'huile : Paliers cylindriques lisses sensibles à l'instabilité
- Réponse plus lente : Le film d'huile ajoute de la souplesse, moins rigide que les roulements à éléments roulants à basse vitesse
- Sensibilité à la température : Les performances changent avec la température de l'huile (affecte la viscosité)
- Sensibilité à la contamination : Les particules peuvent endommager la surface du roulement ou bloquer les passages d'huile
- Positionnement axial : Ne fournit aucune contrainte axiale inhérente (nécessite une butée séparée)
Applications
Les paliers lisses sont standard dans :
- Turbines à vapeur et à gaz : Unités de production d'électricité de plusieurs mégawatts
- Grands générateurs : Générateurs synchrones dans les centrales électriques
- Compresseurs centrifuges : Compresseurs industriels à grande vitesse et à forte charge
- Gros moteurs électriques : Les moteurs > 500 CV utilisent souvent des paliers lisses
- Propulsion marine : Roulements d'arbre d'hélice de navire
- Machines à papier : Roulements à rouleaux de grande taille
- Moteurs à combustion interne : Coussinets de vilebrequin principaux et de bielle
Relation avec la dynamique du rotor
Les paliers lisses influencent de manière critique le comportement dynamique du rotor :
- Détermination de la vitesse critique : La rigidité et l'amortissement des roulements affectent directement les emplacements et les amplitudes de vitesse critiques
- Stabilité: Le type et la conception du roulement déterminent la susceptibilité à tourbillon d'huile et fouet à manche
- Diagrammes de Campbell: Montrer comment les fréquences naturelles changent avec la vitesse en raison des variations de rigidité des roulements
- Équilibre : Les caractéristiques des roulements affectent coefficients d'influence et la réponse de l'équilibre
Les paliers lisses représentent une technologie sophistiquée et éprouvée, essentielle aux machines tournantes hautes performances. Leur combinaison unique de capacité de charge, de vitesse et d'amortissement les rend irremplaçables dans les applications critiques, malgré la complexité de leurs exigences de lubrification et de leur comportement dynamique.
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