Qu'est-ce qu'un amortisseur à film compressible ? Dispositif de contrôle des vibrations : Équilibreur portable, analyseur de vibrations " Balanset " pour l'équilibrage dynamique des concasseurs, ventilateurs, broyeurs, vis sans fin de moissonneuses-batteuses, arbres, centrifugeuses, turbines et autres rotors. Qu'est-ce qu'un amortisseur à film compressible ? Dispositif de contrôle des vibrations : Équilibreur portable, analyseur de vibrations " Balanset " pour l'équilibrage dynamique des concasseurs, ventilateurs, broyeurs, vis sans fin de moissonneuses-batteuses, arbres, centrifugeuses, turbines et autres rotors.

Qu'est-ce qu'un amortisseur à film compressible ? Dispositif de contrôle des vibrations

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Comprendre les amortisseurs à film compressible

Définition : Qu'est-ce qu'un amortisseur à film compressible ?

A amortisseur à film compressible (SFD) est un passif amortissement dispositif utilisé dans les machines tournantes pour dissiper l'énergie vibratoire et contrôler vibration amplitudes, en particulier à vitesses critiques. L'amortisseur est constitué d'un mince film d'huile contenu dans un espace annulaire entourant un logement de palier. Lorsque le palier (et ses éléments fixés) rotor) vibre, le boîtier de roulement oscille dans le jeu de l'amortisseur, comprimant le film d'huile. La résistance visqueuse à ce mouvement de compression dissipe l'énergie, amortissant ainsi le système rotor sans ajouter de rigidité significative.

Les amortisseurs à film compressible sont largement utilisés dans les moteurs d'avion, les turbines à gaz industrielles et autres machines à grande vitesse où un amortissement amélioré est nécessaire pour contrôler les vibrations et empêcher instabilités du rotor.

Principe de fonctionnement physique

L'action de compression

Contrairement à paliers lisses là où le film d'huile supporte une charge radiale constante, les amortisseurs à film compressible fonctionnent par compression cyclique :

  1. Vibration du rotor : Un rotor déséquilibré crée des forces vibrantes sur le roulement
  2. Motion sur le logement : Le boîtier de roulement oscille radialement dans le jeu de l'amortisseur
  3. Compression du film d'huile : Lorsque le boîtier se déplace vers l'intérieur, le film d'huile est comprimé ; lorsqu'il se déplace vers l'extérieur, le film se dilate
  4. Résistance visqueuse : L'huile résiste à l'expulsion, créant ainsi une force d'amortissement
  5. Dissipation d'énergie : Énergie vibratoire convertie en chaleur dans l'huile

Différence clé avec les paliers lisses

  • Palier lisse : Supporte les charges statiques et dynamiques grâce à la pression du film d'huile ; à la fois rigidité et amortissement
  • Amortisseur à film compressible : Fournit uniquement un amortissement, une rigidité minimale ; ne supporte pas de charges stables
  • Combinaison: Roulement à éléments roulants (supporte la charge) + SFD (assure l'amortissement) = système optimal pour certaines applications

Construction et conception

Composants de base

  • Bague intérieure (logement de roulement) : Surface extérieure du boîtier du roulement à éléments roulants, libre de se déplacer radialement
  • Bague extérieure (boîtier d'amortisseur) : Boîtier stationnaire avec alésage cylindrique précis
  • Jeu annulaire : Espace radial entre les bagues intérieures et extérieures (généralement 0,1 à 0,5 mm)
  • Approvisionnement en pétrole : Huile sous pression introduite dans l'espace libre
  • Joints d'extrémité : Joints toriques ou autres joints pour contenir l'huile axialement
  • Éléments de centrage : Ressorts ou dispositifs de retenue pour éviter les mouvements excessifs

Paramètres de conception

  • Jeu radial (c) : Détermine le coefficient d'amortissement (plus petit = plus d'amortissement)
  • Longueur (L) : Longueur axiale de l'amortisseur (plus long = plus d'amortissement)
  • Diamètre (D) : Diamètre de l'amortisseur (plus grand = plus d'amortissement)
  • Viscosité de l'huile (µ) : Viscosité plus élevée = plus d'amortissement
  • Type de joint d'extrémité : Affecte les fuites d'huile et l'amortissement efficace

Avantages des amortisseurs à film compressible

  • Ajoute de l'amortissement sans rigidité : Augmente la dissipation d'énergie sans augmenter significativement les vitesses critiques
  • Réduit les vibrations à vitesse critique : Limite les amplitudes de résonance à des niveaux sûrs
  • Prévient les instabilités : Aide à prévenir tourbillon d'huile, fouet à manche, et d'autres vibrations auto-excitées
  • Isole les forces transmises : Réduit les vibrations transmises aux fondations
  • Accueille les personnes en transit : Aide à contrôler les vibrations lors du démarrage, de l'arrêt et des changements de charge
  • Capacité de modernisation : Peut être ajouté aux machines existantes sans refonte majeure
  • Fonctionnement passif : Aucun système de contrôle ni alimentation requis

Applications

turbines à gaz pour avions

  • Quasiment universel dans les moteurs d'avions modernes
  • Essentiel pour contrôler les vibrations lors des passages à vitesse critique
  • Permet l'utilisation de roulements à éléments roulants dans des applications à grande vitesse
  • Une conception compacte et légère, essentielle pour l'aérospatiale

Turbines à gaz industrielles

  • Utilisé en combinaison avec des roulements à éléments roulants ou à patins inclinables
  • Contrôle les vibrations lors des démarrages et des arrêts
  • Réduit les vibrations transmises à la structure de support

Compresseurs à grande vitesse

  • Fournit un amortissement supplémentaire au-delà de l'amortissement des roulements
  • Empêche les instabilités dans des conditions de charge légère
  • Permet une plage de fonctionnement plus large

Applications de modernisation

  • Ajouté aux machines existantes avec des vibrations excessives à vitesse critique
  • Solution lorsque l'équilibrage et l'alignement ne réduisent pas suffisamment les vibrations
  • Alternative à une refonte majeure du rotor ou des roulements

Considérations de conception

Calcul du coefficient d'amortissement

La force d'amortissement fournie par un amortisseur à film compressible est d'environ :

  • Famortissement = C × vitesse
  • Où le coefficient d'amortissement C ∝ (µ × D × L³) / c³
  • Très sensible au jeu (c) : la réduction de moitié du jeu augmente l'amortissement de 8×
  • La conception d'un amortissement optimal nécessite une sélection minutieuse des paramètres

Ressorts de centrage

  • But: Empêcher l'amortisseur de “ toucher le fond ” (contact métal sur métal)
  • Sélection de la rigidité : Doit être suffisamment souple pour permettre le mouvement de l'amortisseur, mais suffisamment rigide pour le centrer
  • Types courants : Cage d'écureuil (fils circonférentiels multiples), ressorts hélicoïdaux, éléments élastomères

Alimentation et vidange d'huile

  • Alimentation en huile sous pression pour maintenir le film (généralement 1 à 5 bars)
  • Débit adéquat pour évacuer la chaleur générée
  • Un drainage adéquat pour éviter les inondations d'huile
  • Ventilation pour éviter la cavitation dans le film

Défis et limites

Défis de conception

  • Cavitation : Le film d'huile peut caviter (former des bulles de vapeur), réduisant ainsi l'amortissement efficace
  • Ingestion d'air : L'air entraîné réduit l'efficacité de l'amortissement
  • Dépendance à la fréquence : L'efficacité de l'amortissement varie en fonction de la fréquence des vibrations
  • Comportement non linéaire : Les performances changent avec l'amplitude (les grands mouvements peuvent dépasser le jeu)

Défis opérationnels

  • Sensibilité à la température : Les variations de viscosité de l'huile avec la température affectent l'amortissement
  • Exigences de propreté : La contamination peut bloquer l’approvisionnement ou endommager les surfaces
  • Dépendance à l’approvisionnement en pétrole : La perte de pression d'huile élimine l'amortissement
  • Usure du joint : Les joints d'extrémité se dégradent avec le temps, réduisant ainsi leur efficacité

Exigences d'entretien

  • Surveiller la pression et la température de l'alimentation en huile
  • Inspecter périodiquement les joints d'extrémité
  • Vérifier les jeux appropriés lors des révisions
  • Vérifier l'état du ressort de centrage
  • Nettoyer les passages d'huile et les filtres

Conceptions avancées

Amortisseurs à segments de piston

  • Utiliser des segments de piston au lieu de joints toriques
  • Permettre une certaine fuite d'huile pour une meilleure répartition de la pression
  • Réduire la tendance à la cavitation

Amortisseurs ouverts

  • Pas de joints d'extrémité, l'huile s'écoule axialement
  • Conception plus simple, aucun problème d'usure des joints
  • Nécessite des débits d'huile plus élevés
  • Caractéristiques d'amortissement plus cohérentes

Amortisseurs intégrés

  • Film d'amortissement formé entre le dos du roulement et le boîtier
  • Aucun composant d'amortisseur séparé
  • Compact mais capacité d'amortissement limitée

Efficacité et performance

Réduction des vibrations

  • Peut réduire les vibrations à vitesse critique de 50-80%
  • Particulièrement efficace pour contrôler la résonance
  • Élargit les pics de vitesse critiques (les rend moins nets)
  • Permet un passage plus sûr à des vitesses critiques

Amélioration de la stabilité

  • Augmente la vitesse de seuil pour instabilités
  • Peut prévenir tourbillon d'huile lorsqu'il est utilisé avec des roulements à éléments roulants
  • Ajoute un amortissement positif pour contrer les forces déstabilisatrices

Outils de conception et d'analyse

Une conception appropriée d'un amortisseur à film compressible nécessite :

  • Analyse dynamique du rotor : Modélisation intégrée du système rotor-palier-amortisseur
  • Analyse du film fluide : Solutions de l'équation de Reynolds pour la distribution de pression
  • Analyse non linéaire : Tenir compte de la cavitation, comportement dépendant de l'amplitude
  • Analyse thermique : Température de l'huile et dissipation de la chaleur
  • Logiciels spécialisés : Des outils comme DyRoBeS et XLTRC incluent des modèles SFD

Quand utiliser les amortisseurs à film compressible

Applications recommandées

  • Machines à grande vitesse : Fonctionnement à des vitesses proches ou supérieures aux vitesses critiques
  • Systèmes de roulements à éléments roulants : Ajout d'amortissement là où les roulements fournissent un amortissement minimal
  • Rotors flexibles : Fonctionnement au-dessus de la première vitesse critique
  • Problèmes de stabilité : Lorsque les instabilités du rotor constituent un risque
  • Contrôle des vibrations transitoires : Réduire les vibrations au démarrage/à l'arrêt

Non recommandé lorsque

  • Fonctionnement à basse vitesse où l'amortissement n'est pas critique
  • Les contraintes d'espace empêchent l'installation
  • Système d'alimentation en huile non disponible ou non fiable
  • Ressources de maintenance limitées (les amortisseurs nécessitent une maintenance du système d'huile)
  • Des solutions plus simples (équilibrage, alignement) adéquates

Les amortisseurs à film compressible constituent une solution élégante pour le contrôle des vibrations des machines tournantes à grande vitesse. En offrant un amortissement significatif sans ajouter de rigidité, ils permettent un fonctionnement à des vitesses critiques, préviennent les instabilités destructives et étendent la plage de fonctionnement des équipements rotatifs tout en conservant une conception compacte et passive.

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