Comprendre la courbure des arbres dans les machines tournantes
Définition : Qu'est-ce qu'un arc Shaft ?
Arc de flèche (également appelée flexion de l'arbre, courbure du rotor ou simplement “ courbure ”) est une condition dans laquelle un rotor L'arbre a développé une courbure permanente ou semi-permanente, ce qui le fait dévier de son axe central droit. Contrairement aux courbures temporaires s'épuiser Cela pourrait être dû à un composant desserré ou à un montage excentrique ; la courbure de l'arbre représente une déformation réelle du matériau de l'arbre lui-même.
L'arc de Shaft produit vibration des symptômes qui ressemblent superficiellement déséquilibrer, mais cela ne peut pas être corrigé par des moyens conventionnels équilibrage procédures. Un diagnostic correct est donc essentiel pour éviter de perdre du temps à tenter de redresser un arbre courbé.
Types d'arcs à flèche
L'arc de flèche peut être catégorisé en fonction de sa cause et de sa durée :
1. Arc mécanique permanent
Il s'agit d'une déformation plastique (permanente) du matériau de l'arbre causée par :
- surcharge mécanique ou impact
- Levage ou manutention incorrects lors de la maintenance
- Lâcher le rotor
- Contraintes de flexion excessives pendant le fonctionnement
- défauts de fabrication ou traitement thermique inadéquat
Une fois que la flèche a cédé (se déforme de façon permanente), la courbure persiste même lorsque la flèche est au repos et que toutes les charges sont supprimées.
2. Arc thermique (transitoire)
Aussi appelé arc thermique ou arc chaud, Il s'agit d'un phénomène temporaire dû à un chauffage inégal de l'arbre. La partie chauffée se dilate davantage que la partie froide, créant ainsi une courbure temporaire. Les causes possibles sont les suivantes :
- Sources de chaleur asymétriques (fluide de traitement chaud d'un côté, air de refroidissement de l'autre)
- Le frottement du palier chauffe un côté de l'arbre
- Le frottement du rotor génère un échauffement localisé
- Chauffage solaire sur les équipements extérieurs
- Procédures de préchauffage inadéquates pour les grandes turbines
La déformation thermique disparaît généralement lorsque le fût refroidit uniformément ou lorsque l'équilibre thermique est atteint. Cependant, des cycles répétés de déformation thermique peuvent à terme entraîner une déformation permanente.
3. Courbure résiduelle
Les contraintes résiduelles internes dues au soudage, au traitement thermique ou aux procédés de fabrication peuvent entraîner une déformation progressive d'un arbre au fil du temps, notamment lorsqu'il est soumis à des températures de fonctionnement ou à des charges mécaniques provoquant une relaxation des contraintes.
Causes de la courbure de la flèche
Comprendre les causes profondes permet de prévenir la courbure de l'arbre et d'orienter les actions correctives :
Causes mécaniques
- Surcharge: Fonctionnement à des charges dépassant les limites de conception
- Stockage inadéquat : Le stockage horizontal des arbres sans support adéquat provoque un affaissement au fil du temps.
- Mauvaise manipulation : Levage par la tige au lieu des points de levage désignés
- Accident ou impact : Dommages causés par une chute, une collision ou un corps étranger
- Saisie du roulement : Un roulement grippé peut entraîner la flexion de l'arbre sous le couple moteur.
Causes thermiques
- Chauffage inégal : Répartition non uniforme de la température autour de la circonférence de l'arbre
- Changements rapides de température : Choc thermique au démarrage ou à l'arrêt
- Points chauds : Chauffage localisé dû au frottement, aux frottements ou aux conditions de traitement
- Échauffement insuffisant : Démarrage trop rapide de turbines froides ou de grosses machines
- Procédures d'arrêt : Laisser un arbre chaud s'arrêter de tourner avant de refroidir (affaissement thermique)
Causes liées aux matériaux et à la fabrication
- Mauvaise qualité des matériaux : Inclusions, vides ou inhomogénéités matérielles
- Traitement thermique inapproprié : Contraintes résiduelles dues à la trempe ou au revenu
- Déformation de la soudure : Soudage asymétrique créant des contraintes résiduelles
- Contraintes d'usinage : Contraintes induites lors de la fabrication
Comment l'arc de la flèche provoque des vibrations
Un arbre courbé crée des vibrations par deux mécanismes :
1. Déséquilibre géométrique
Lorsqu'un arbre courbé tourne, son axe longitudinal décrit un cône ou une autre trajectoire non circulaire. Même si la répartition des masses du rotor est parfaitement équilibrée, la géométrie courbée crée une masse en rotation excentrée qui génère des forces centrifuges, produisant des vibrations à la fréquence de rotation de l'arbre.
2. Chargement en moment sur les paliers
La courbure crée des moments de flexion qui sont transmis aux paliers, provoquant des fluctuations de la charge sur ces derniers et des vibrations.
Détection de l'arc de flèche
Il est crucial, pour un dépannage efficace, de distinguer la courbure de la flèche d'un véritable déséquilibre de masse :
Comparaison des symptômes : courbure vs déséquilibre
| Caractéristiques | Déséquilibrer | Arc à flèche |
|---|---|---|
| Fréquence de vibration | 1X vitesse de course | 1X vitesse de course |
| Relation de phase | Cohérent, identique en tout temps | Peut changer pendant l'échauffement |
| Vibration à roulement lent | Présent (proportionnel à la vitesse²) | Présent et souvent significatif même à très basse vitesse |
| Réponse à l'équilibrage | Vibrations réduites par un équilibrage correct | Amélioration minime ou nulle ; risque d'aggravation |
| Sensibilité thermique | Relativement stable en fonction de la température | Des changements significatifs surviennent pendant l'échauffement/la récupération |
| Mesure du faux-rond | Faible lorsque le rotor est à l'arrêt | Forte dérive même au repos (arc permanent) |
Tests de diagnostic
1. Mesure du roulement lent
Faites tourner l'arbre très lentement (vitesse de fonctionnement typique de 5 à 101 TP3T) et mesurez s'épuiser à l'aide d'une sonde de proximité ou d'un comparateur. Un faux-rond important à faible vitesse de rotation indique une courbure de l'arbre ou un faux-rond mécanique, et non un balourd (qui produit une force proportionnelle au carré de la vitesse).
2. Déphasage d'arrêt
Surveiller les vibrations angle de phase Lors de l'arrêt de la machine, un déséquilibre réel maintient une phase constante quelle que soit la vitesse. Un arbre cintré peut présenter des variations de phase, notamment lors de son refroidissement.
3. Essai de courbure thermique
En cas de suspicion de déformation thermique, surveillez les vibrations au démarrage et pendant la phase de chauffe. La déformation thermique se manifeste généralement par une augmentation des vibrations à mesure que la machine chauffe, puis celles-ci peuvent se stabiliser ou diminuer une fois l'équilibre thermique atteint.
4. Contrôle du faux-rond hors machine
Retirez le rotor, placez-le sur des supports en V ou un tour, et faites-le tourner lentement tout en mesurant le faux-rond radial à l'aide d'un comparateur. Un faux-rond important (généralement supérieur à 0,001 pouce ou 25 µm) confirme une courbure permanente.
5. Inspection visuelle
Pour les grandes flèches, une visée visuelle le long de la flèche ou l'utilisation de méthodes optiques (alignement laser) peuvent révéler une courbure évidente.
Méthodes de correction
La correction appropriée dépend de la gravité et du type de courbure :
Pour arc mécanique permanent
1. Redressage de l'arbre
Pour une courbure légère à modérée (généralement Si l'écart est inférieur à 0,005 pouce (125 µm), l'arbre peut parfois être redressé à froid ou à chaud à l'aide de presses hydrauliques. Cette opération requiert un équipement spécialisé et des techniciens qualifiés. L'arbre est soutenu et soumis à une charge contrôlée afin de le déformer plastiquement pour le redresser.
2. Soulagement des contraintes thermiques
Le traitement thermique de l'arbre permet de réduire les contraintes résiduelles et d'éliminer ainsi la déformation due à ces contraintes. Ce procédé requiert un équipement de four adapté et une maîtrise du processus.
3. Remplacement de l'arbre
En cas de courbure importante ou pour des applications critiques, le remplacement est souvent la solution la plus fiable. Le coût d'un nouvel arbre doit être mis en balance avec le temps d'arrêt et le risque d'échec des tentatives de redressement.
4. “ L’équilibre autour de la proue ”
Dans certains cas, notamment pour les grandes turbines, des masses de correction peuvent être calculées et installées pour compenser la courbure. Cela ne corrige pas la courbure, mais minimise les vibrations. Cette approche présente des limites et constitue généralement une solution temporaire.
Pour arc thermique
1. Modifications des procédures opérationnelles
- Mettre en œuvre des procédures de réchauffement lentes
- Maintenir le fonctionnement continu des engrenages rotatifs pendant l'arrêt pour éviter l'affaissement thermique.
- Contrôlez plus soigneusement l'admission de vapeur ou les températures des fluides de procédé.
- Assurer un chauffage/refroidissement symétrique
2. Modifications de conception
- Ajouter de l'isolant pour réduire les gradients thermiques
- Installer des vestes chauffantes pour un réchauffement uniforme
- Améliorer le système de refroidissement pour assurer une répartition uniforme de la température
3. Fonctionnement du mécanisme de rotation
Pour les grandes turbines, actionnez le dispositif de rotation (entraînement rotatif à basse vitesse) pendant la phase de préchauffage et de refroidissement pour faire tourner l'arbre et éviter le développement d'une déformation thermique.
Stratégies de prévention
Prévenir la courbure de la flèche est beaucoup plus facile que de la corriger :
Conception et fabrication
- Utiliser des procédures de traitement thermique appropriées pour minimiser les contraintes résiduelles.
- Concevoir une rigidité d'arbre adaptée à l'application
- Spécifiez les matériaux appropriés à l'environnement thermique
Installation et maintenance
- Soulevez toujours les rotors en utilisant les points de levage prévus à cet effet, jamais par l'arbre.
- Rangez les disques de frein de rechange sur un support adéquat pour éviter qu'ils ne se déforment.
- Évitez les chocs mécaniques lors de la manipulation.
- Vérifier périodiquement la rectitude de l'arbre (annuellement ou selon le calendrier du fabricant).
Opération
- Suivez les procédures de mise en marche et d'arrêt du fabricant.
- Évitez les changements brusques de température.
- Surveillez les signes de courbure thermique lors des démarrages.
- Examiner tout changement inexpliqué de phase de vibration
Impact sur les procédures d'équilibrage
Tenter d'équilibrer une flèche courbée est généralement futile et peut même être contre-productif :
- Corrections inefficaces : Les masses d'équilibrage calculées pour un déséquilibre de masse ne corrigent pas la courbure géométrique.
- Masquer le problème : Un “ équilibrage ” partiellement réussi d'un arbre courbé peut réduire temporairement les vibrations, mais ne résout pas le problème sous-jacent.
- Temps perdu : Plusieurs tentatives d'équilibrage infructueuses indiquent la nécessité de vérifier la présence d'une courbure.
- Dommages potentiels : L'ajout de poids correcteurs importants à une flèche cintrée peut augmenter les contraintes et causer des dommages supplémentaires.
Meilleures pratiques : Vérifiez toujours la courbure de l'arbre avant de commencer les procédures d'équilibrage, en particulier si le rotor a subi des manipulations, des événements thermiques ou des problèmes de vibrations inexpliqués.
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