Comprendre le frottement dans les machines tournantes
Frottement désigne le contact par frottement et le mouvement de glissement relatif entre les éléments rotatifs et fixes d'une machine. Ce terme met l'accent sur l'aspect de frottement continu de contact rotor-stator, ce qui le distingue des contacts légers et intermittents ou des chocs isolés qui peuvent également se produire. Le frottement génère des forces de friction, dégage une chaleur importante due au travail de friction et produit une Vibrations signature caractérisée par un tourbillon rétrograde, sous-synchrone composants et effets thermiques. Il s'agit de l'une des défaillances les plus dangereuses pouvant survenir sur une machine tournante, car elle peut dégénérer en panne en l'espace de quelques minutes.
Les termes « frottement » et « frottement du rotor » sont souvent utilisés de manière interchangeable. Dans la pratique, le terme « frottement » met généralement l'accent sur les aspects liés au frottement et à la chaleur du contact, tandis que le terme « frottement du rotor » est un concept plus large qui englobe toutes les formes de contact, du léger frottement aux chocs violents.
1. La mécanique des frottements
Modèle de frottement de Coulomb
Le frottement obéit aux principes du frottement sec (de Coulomb) :
- Force de frottement : F = μ × N, où μ est le coefficient de frottement et N la force normale qui maintient les surfaces en contact.
- Direction : La force de frottement s'oppose toujours au mouvement relatif entre les surfaces en contact.
- Coefficients types : acier sur acier : μ ≈ 0,3–0,5 ; acier sur matériau d'étanchéité : μ ≈ 0,2–0,4.
- Production de chaleur : pratiquement tout le travail de frottement est transformé en chaleur au point de contact.
Forces tangentielles et normales
Lors du contact, deux composantes de force s'exercent sur le rotor :
- Force normale : exerce une poussée radiale vers l'intérieur sur le rotor au niveau du point de frottement.
- Force de frottement : agit de manière tangentielle, en s'opposant à la rotation.
- Force résultante : Cette combinaison a tendance à ralentir le rotor et à le faire dévier vers l'arrière, dans le sens inverse de sa rotation.
- Augmentation du couple : Le frottement entraîne une perte de puissance, ce qui augmente le couple d'entraînement que la machine doit fournir.
2. Signatures vibratoires caractéristiques
Tourbillon arrière
La caractéristique la plus distinctive du frottement rotor-stator est qu'il s'effectue en sens inverse (rétrograde) tourbillon:
- La force de frottement génère une composante tangentielle qui entraîne le mouvement orbital vers l'arrière.
- L'arbre orbite des traces dans le sens inverse de la rotation de l'arbre.
- La fréquence de tourbillonnement est généralement sous-synchrone — inférieure à 1× la vitesse de fonctionnement.
- Des fréquences courantes apparaissent aux ordres fractionnaires : 0,5×, 0,33×, 0,25×.
- La forme de l'orbite est souvent irrégulière ou visiblement déformée.
Caractéristiques du spectre
- Pics sous-synchrones : plusieurs pics inférieurs à 1×, souvent au niveau d'harmoniques fractionnaires.
- Composante synchrone : le 1× synchrone le pic pourrait augmenter à mesure que les forces de frottement s'y ajoutent.
- Harmoniques supérieures : 2×, 3×, 4× harmoniques découlent de la non-linéarité du frottement intermittent.
- Bruit à large bande : le bruit de fond sur l'ensemble spectre les ascenseurs.
- Spectre instable : les pics apparaissent et disparaissent ou changent de fréquence d'une mesure à l'autre.
Caractéristiques de la forme d'onde temporelle
- Des événements impulsifs ou des pics à chaque fois qu'un contact s'établit, visibles dans le forme d'onde temporelle.
- Un écrêtage ou un aplatissement au niveau des amplitudes maximales, là où le stator limite physiquement la course.
- Une forme générale irrégulière et non sinusoïdale.
- Motifs de battement générés par la coexistence de plusieurs fréquences.
3. Effets thermiques du frottement
Génération de chaleur
Le frottement transforme directement l'énergie mécanique en chaleur :
- Taux: La puissance dissipée est égale à la force de frottement multipliée par la vitesse de glissement.
- Ampleur: Un frottement léger peut dégager entre 10 et 100 watts ; un frottement vigoureux, plusieurs kilowatts.
- Spécialisation : que la chaleur est concentrée sur une très petite surface de contact.
- Élévation de la température : Dans les cas les plus extrêmes, les températures locales en surface peuvent dépasser les 500 °C.
Développement de l'arc thermique
Le danger du frottement réside dans une boucle de rétroaction chaleur–vibrations :
- Le frottement initial génère de la chaleur sur un côté de l'arbre.
- Un chauffage asymétrique déforme l'arbre en formant un arc thermique.
- La courbure thermique augmente la flèche de l’arbre.
- Une déformation plus importante entraîne un frottement plus intense.
- Plus on frotte, plus la chaleur augmente.
- Cette rétroaction positive peut entraîner une défaillance rapide et incontrôlable.
Comme chaque itération de cette boucle approfondit la suivante, le frottement est considéré comme une forme de vibration auto-excitée et une voie vers une défaillance totale instabilité du rotor.
Effets thermiques secondaires
- Échauffement des roulements : la chaleur se propage le long de l'arbre jusqu'aux roulements.
- Dégradation de l'huile : Des températures excessives détériorent le lubrifiant.
- Modifications du matériau : Transformations de phase ou changements métallurgiques dans les zones affectées thermiquement
- Contrainte thermique : peut provoquer l'apparition de fissures dans les zones soumises à des contraintes thermiques.
4. Détecter les frottements sur le terrain
Surveillance des vibrations
- Alarmes de sous-synchronisme : alerte en cas de pics atteignant 0,3 à 0,5 fois la vitesse de rotation.
- Suivi de l'orbite : L'analyse automatisée des orbites signale l'apparition d'un tourbillon rétrograde.
- Changements spectraux : des algorithmes détectent l'apparition soudaine de plusieurs harmoniques.
- Écrêtage de la forme d'onde : détection de la distorsion non sinusoïdale provoquée par le contact.
C'est précisément pour détecter ces anomalies qu'un analyseur portable est conçu. Fonctionnant directement sur les roulements de la machine à vitesse de fonctionnement, un appareil à deux canaux tel que le Balanset-1A enregistre la courbe temporelle ainsi que l'amplitude et la phase à 1×, ce qui permet au technicien de repérer l'écrêtage impulsionnel et l'énergie d'ordre fractionnaire caractéristiques d'un frottement, puis de vérifier s'il existe un balourd résiduel ou désalignement est le pilote sous-jacent avant tout démontage.
Surveillance de la température
- Palier capteurs de température avec des alarmes de montée rapide.
- Surveillance de la température infrarouge des sections de puits exposées
- Surveillance des écarts de température — entre la partie supérieure et la partie inférieure d'un roulement.
- Alarmes de variation de température, par exemple supérieure à 5 °C par minute.
Indicateurs supplémentaires
- Augmentation du couple : La consommation d'énergie augmente à mesure que les frottements sollicitent le moteur.
- Variation de vitesse : de légères variations de vitesse dues aux fluctuations du couple de frottement.
- Émission acoustique : un son à haute fréquence émis par le contact, détectable par émission acoustique capteurs.
- Inspection visuelle : traces d'usure, décoloration et rayures visibles.
5. Réagir à un frottement
Mesures immédiates
- Réduire la gravité : réduisez la vitesse ou la charge si cela peut se faire en toute sécurité.
- Surveiller de près : surveiller en permanence les vibrations et la température.
- Préparez-vous à l'arrêt : avoir une urgence arrêt prêt.
- Arrêt d'urgence : déclenchez l'arrêt de la machine si les vibrations ou la température augmentent.
- Autoriser le refroidissement : Faites tourner le mécanisme de rotation ou laissez-le refroidir naturellement avant de procéder à l'inspection, afin que la déformation thermique puisse se résorber.
Enquête
- Recherchez des traces physiques de contact.
- Mesurez les jeux au niveau des endroits où l'on soupçonne un frottement.
- Vérifier s'il y a un gauchissement thermique ou permanent arc d'arbre.
- Identifiez la cause profonde : vibrations excessives, jeu insuffisant, etc.
Mesures correctives
- Augmenter les dégagements : usiner les zones endommagées ou remplacer les pièces.
- S'attaquer à la cause profonde : équilibrer le rotor, alignement correct, résoudre le problème de palier qui a permis le contact.
- Remplacer les pièces endommagées : joints, composants de roulements et sections d'arbres, selon les besoins.
- Vérifier les dégagements : Vérifiez que le jeu est suffisant à chaque endroit avant de redémarrer.
Le frottement est l'un des défauts liés aux vibrations les plus graves sur les machines tournantes. Sa capacité à s'aggraver rapidement sous l'effet d'une rétroaction thermique exige une détection immédiate, une intervention rapide et rigoureuse, ainsi qu'une correction en profondeur — car, sur les équipements critiques, l'alternative est une défaillance catastrophique.
