Qu'est-ce qu'un système rotor-palier ? Integrated Dynamics • Équilibreur portable, analyseur de vibrations " Balanset " pour l'équilibrage dynamique des concasseurs, ventilateurs, broyeurs, vis sans fin de moissonneuses-batteuses, arbres, centrifugeuses, turbines et de nombreux autres rotors. Qu'est-ce qu'un système rotor-palier ? Integrated Dynamics • Équilibreur portable, analyseur de vibrations " Balanset " pour l'équilibrage dynamique des concasseurs, ventilateurs, broyeurs, vis sans fin de moissonneuses-batteuses, arbres, centrifugeuses, turbines et de nombreux autres rotors.

Qu’est-ce qu’un système rotor-palier ? Dynamique intégrée

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Comprendre le système rotor-palier

Définition : Qu'est-ce qu'un système rotor-palier ?

A système rotor-palier est l'ensemble mécanique intégré complet constitué d'un rotor rotor (arbre et ses composants), les paliers de support qui limitent son mouvement et supportent les charges, et la structure de support fixe (paliers, socles, châssis et fondation) qui relie les paliers au sol. Ce système est analysé comme un tout intégré dans dynamique du rotor car le comportement dynamique de chaque composant influence tous les autres.

Au lieu d'analyser le rotor isolément, une analyse dynamique appropriée du rotor considère le système rotor-palier comme un système mécanique couplé où les propriétés du rotor (masse, rigidité, amortissement), les caractéristiques du palier (rigidité, amortissement, jeux) et les propriétés de la structure de support (flexibilité, amortissement) interagissent toutes pour déterminer vitesses critiques, vibration réponse et stabilité.

Composants du système rotor-palier

1. L'ensemble rotor

Les composants rotatifs comprennent :

  • Arbre: Élément rotatif principal assurant la rigidité
  • Disques et roues : Roues à aubes, turbines, accouplements, poulies ajoutant de la masse et de l'inertie
  • Masse répartie : Rotors de type tambour ou masse de l'arbre elle-même
  • Accouplements : Raccordement du rotor à l'équipement moteur ou entraîné

Caractéristiques du rotor :

  • Répartition de la masse le long de l'axe
  • Rigidité en flexion de l'arbre (fonction du diamètre, de la longueur et du matériau)
  • Moments d'inertie polaire et diamétrale (influençant les effets gyroscopiques)
  • Amortissement interne (généralement faible)

2. Roulements

Les éléments d'interface qui supportent le rotor et permettent sa rotation :

Types de roulements

  • Roulements à billes : Roulements à billes, roulements à rouleaux
  • Paliers à film fluide : paliers lisses, paliers à patins oscillants, butées à billes
  • Roulements magnétiques : Suspension électromagnétique active

Caractéristiques des roulements

  • Rigidité: Résistance à la déformation sous charge (N/m ou lbf/in)
  • Amortissement: Dissipation d'énergie dans le palier (N·s/m)
  • Masse: Composants mobiles du roulement (généralement de petite taille)
  • Dégagements : Jeu radial et axial affectant la rigidité et la non-linéarité
  • Dépendance à la vitesse : Les propriétés des paliers à film fluide changent considérablement avec la vitesse.

3. Structure de support

Les éléments de fondation fixes :

  • Boîtiers de roulement : Structure immédiate entourant les paliers
  • Socles : supports verticaux élevant les paliers
  • Plaque de base/Cadre : Structure horizontale reliant les socles
  • Fondation: Structure en béton ou en acier transférant les charges au sol
  • Éléments d'isolation : Ressorts, coussinets ou supports si une isolation des vibrations est utilisée

La structure de soutien contribue :

  • Rigidité supplémentaire (peut être comparable ou inférieure à la rigidité du rotor)
  • Amortissement grâce aux propriétés des matériaux et aux joints
  • La masse influençant les fréquences naturelles globales du système

Pourquoi l'analyse systémique est essentielle

Comportement couplé

Chaque composant influe sur les autres :

  • Déflexion du rotor crée des forces sur les roulements
  • Déflexion du palier conditions de support du rotor modifiées
  • flexibilité de la structure de support permet le mouvement du palier, affectant la rigidité apparente du palier
  • Vibrations de la fondation Les retours d'information sont transmis au rotor par l'intermédiaire des roulements.

Fréquences naturelles du système

Les fréquences naturelles sont des propriétés du système complet, et non de ses composants individuels :

  • Roulements souples + rotor rigide = vitesses critiques plus basses
  • Roulements rigides + rotor flexible = vitesses critiques plus élevées
  • Une fondation flexible peut abaisser les vitesses critiques même avec des paliers rigides.
  • La fréquence naturelle du système est différente de la fréquence naturelle du rotor prise isolément.

Méthodes d'analyse

Modèles simplifiés

Pour une analyse préliminaire :

  • Poutre simplement appuyée : Rotor assimilé à une poutre avec des supports rigides (néglige la flexibilité des appuis et des fondations)
  • Rotor Jeffcott : Masse concentrée sur un arbre flexible avec supports à ressorts (incluant la rigidité des paliers)
  • Méthode de la matrice de transfert : Approche classique pour les rotors multidisques

Modèles avancés

Pour une analyse précise des machines réelles :

  • Analyse par éléments finis (FEA) : Modèle détaillé du rotor avec éléments de ressort pour les paliers
  • Modèles de roulements : Rigidité et amortissement non linéaires des paliers en fonction de la vitesse, de la charge et de la température
  • Flexibilité des fondations : Modèle par éléments finis ou modèle modal de la structure de support
  • Analyse couplée : Système complet incluant tous les effets interactifs

Paramètres clés du système

Contributions à la rigidité

La rigidité totale du système est une combinaison en série :

  • 1/ktotal = 1/krotor + 1/kpalier + 1/kfondation
  • L'élément le plus souple détermine la rigidité globale.
  • Cas fréquent : la flexibilité des fondations réduit la rigidité du système en deçà de la seule rigidité du rotor.

Contributions à l'amortissement

  • Amortissement des roulements : Source généralement dominante (notamment les paliers à film fluide)
  • Amortissement des fondations : Amortissement structurel et matériel dans les supports
  • Amortissement interne du rotor : Généralement très petit, habituellement négligé
  • Amortissement total : Somme des éléments d'amortissement parallèles

Implications pratiques

Pour la conception de machines

  • Il est impossible de concevoir un rotor indépendamment des roulements et de la fondation.
  • Le choix des roulements influe sur les vitesses critiques atteignables.
  • La rigidité des fondations doit être suffisante pour supporter le rotor.
  • L'optimisation du système nécessite la prise en compte simultanée de tous les éléments

Pour l'équilibrage

  • Coefficients d'influence représenter la réponse complète du système
  • Équilibrage des champs tient automatiquement compte des caractéristiques du système tel qu'installé
  • L'équilibrage en atelier sur différents roulements/supports peut ne pas se transposer parfaitement à l'état installé.
  • Les modifications du système (usure des roulements, tassement des fondations) modifient la réponse d'équilibrage

Pour le dépannage

  • Les problèmes de vibrations peuvent provenir du rotor, des roulements ou des fondations.
  • Il faut prendre en compte le système dans son ensemble lors du diagnostic des problèmes.
  • Les modifications apportées à un composant affectent le comportement global
  • Exemple : La détérioration des fondations peut réduire les vitesses critiques.

Configurations système courantes

Configuration simple entre paliers

  • Rotor supporté par deux paliers aux extrémités
  • Configuration industrielle la plus courante
  • Système d'analyse le plus simple
  • Standard équilibrage à deux plans approche

Configuration du rotor en porte-à-faux

  • Le rotor se déploie support au-delà du roulement
  • Charges d'appui plus élevées dues au bras de levier
  • Plus sensible aux déséquilibres
  • Courant dans les ventilateurs, les pompes, certains moteurs

Systèmes multi-paliers

  • Trois roulements ou plus supportant un seul rotor
  • répartition de charge plus complexe
  • L'alignement entre les roulements est crucial.
  • Courant dans les grandes turbines, les générateurs, les rouleaux de machines à papier

Systèmes multirotors couplés

  • Plusieurs rotors reliés par des accouplements (groupes motopompes, groupes turbine-générateur)
  • Chaque rotor possède ses propres roulements, mais les systèmes sont couplés dynamiquement.
  • Configuration la plus complexe pour l'analyse
  • Désalignement Le couplage crée des forces d'interaction

Comprendre les machines tournantes comme des systèmes rotor-paliers intégrés plutôt que comme des composants isolés est fondamental pour une conception, une analyse et un dépannage efficaces. Cette approche systémique explique de nombreux phénomènes vibratoires et oriente les actions correctives appropriées pour un fonctionnement fiable et performant.

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