Qu'est-ce que la vibration de torsion ? Causes et effets • 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 que la vibration de torsion ? Causes et effets • 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 que la vibration de torsion ? Causes et effets

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Comprendre les vibrations de torsion dans les machines tournantes

Définition : Qu'est-ce que la vibration de torsion ?

Vibrations de torsion Il s'agit de l'oscillation angulaire d'un arbre en rotation autour de son axe de rotation, soit un mouvement de torsion et de détorsion où différentes sections de l'arbre tournent à des vitesses légèrement différentes à un instant donné. Contrairement à vibrations latérales (mouvement latéral) ou vibrations axiales (mouvement de va-et-vient), la vibration de torsion n'implique aucun déplacement linéaire ; au lieu de cela, l'arbre subit une accélération angulaire alternativement positive et négative.

Bien que les vibrations de torsion aient généralement des amplitudes beaucoup plus petites que les vibrations latérales et soient souvent difficiles à détecter, elles peuvent créer d'énormes contraintes alternées dans les arbres, les accouplements et les engrenages, pouvant conduire à des défaillances de fatigue catastrophiques sans avertissement.

Mécanisme physique

Comment se produit la vibration de torsion

Les vibrations de torsion peuvent être visualisées comme suit :

  • Imaginez un long arbre reliant un moteur à une charge entraînée
  • L'arbre agit comme un ressort de torsion, stockant et libérant de l'énergie lorsqu'il tourne
  • Lorsqu'il est perturbé par des couples variables, l'arbre oscille, avec des sections tournant plus rapidement et plus lentement que la vitesse moyenne
  • Ces oscillations peuvent se développer si la fréquence d'excitation correspond à la fréquence naturelle de torsion

Fréquences naturelles de torsion

Chaque système d'arbre a des fréquences naturelles de torsion déterminées par :

  • Rigidité de torsion de l'arbre : Dépend du diamètre de l'arbre, de la longueur et du module de cisaillement du matériau
  • Inertie du système : Moments d'inertie des composants rotatifs connectés (rotor du moteur, accouplements, engrenages, charges)
  • Modes multiples : Les systèmes complexes ont plusieurs fréquences naturelles de torsion
  • Effets de couplage : Les accouplements flexibles ajoutent une conformité à la torsion, abaissant les fréquences naturelles

Principales causes des vibrations de torsion

1. Couple variable des moteurs alternatifs

La source la plus courante dans de nombreuses applications :

  • Moteurs diesel et essence : Les événements de combustion créent un couple pulsé
  • Ordre de tir : Crée des harmoniques de vitesse du moteur
  • Nombre de cylindres : Moins de cylindres produisent plus de variation de couple
  • Risque de résonance : La vitesse de fonctionnement du moteur peut coïncider avec les vitesses critiques de torsion

2. Forces d'engrènement

Les systèmes d'engrenages génèrent une excitation torsionnelle :

  • La fréquence d'engrènement (nombre de dents × tr/min) crée un couple oscillant
  • Les erreurs d'espacement des dents et les inexactitudes de profil contribuent
  • Le jeu des engrenages peut provoquer une charge d'impact
  • Plusieurs étages d'engrenages créent des systèmes de torsion complexes

3. Problèmes de moteur électrique

Les moteurs électriques peuvent produire des perturbations de torsion :

  • Fréquence de passage des pôles : L'interaction entre le rotor et le stator crée un couple pulsé
  • Barres de rotor cassées : Crée des impulsions de couple à la fréquence de glissement
  • Variateurs de fréquence (VFD) : La commutation PWM peut exciter les modes de torsion
  • Transitoires de démarrage : Grandes oscillations de couple lors du démarrage du moteur

4. Variations de charge du processus

Charge variable sur les équipements entraînés :

  • Événements de surtension du compresseur
  • Cavitation de la pompe créant des pics de couple
  • Charges cycliques dans les concasseurs, les moulins et les presses
  • Forces de passage des pales dans les ventilateurs et les turbines

5. Problèmes d'accouplement et de transmission

  • Accouplements usés ou endommagés avec jeu ou contrecoup
  • Joints universels fonctionnant à des angles créant une excitation de torsion 2×
  • Patinage et bavardage de la transmission par courroie
  • Entraînement par chaîne à action polygonale

Défis de détection et de mesure

Pourquoi les vibrations de torsion sont difficiles à détecter

Contrairement aux vibrations latérales, les vibrations de torsion présentent des défis de mesure uniques :

  • Pas de déplacement radial : Les accéléromètres standard sur les boîtiers de roulement ne détectent pas les mouvements de torsion purs
  • Petites amplitudes angulaires : Les amplitudes typiques sont des fractions de degré
  • Équipement spécialisé requis : Nécessite des capteurs de vibrations de torsion ou une analyse sophistiquée
  • Souvent négligé : Non inclus dans les programmes de surveillance des vibrations de routine

Méthodes de mesure

1. Jauges de contrainte

  • Monté à 45° par rapport à l'axe de l'arbre pour mesurer la contrainte de cisaillement
  • Nécessite un système de télémétrie pour transmettre le signal de l'arbre rotatif
  • Mesure directe de la contrainte de torsion
  • Méthode la plus précise mais complexe et coûteuse

2. Capteurs de vibrations de torsion à double sonde

  • Deux capteurs optiques ou magnétiques mesurent la vitesse à différents emplacements de l'arbre
  • La différence de phase entre les signaux indique une vibration de torsion
  • Mesure sans contact
  • Peut être installé temporairement ou définitivement

3. Vibromètres de torsion laser

  • Mesure optique des variations de vitesse angulaire de l'arbre
  • Sans contact, aucune préparation de l'arbre requise
  • Cher mais puissant pour le dépannage

4. Indicateurs indirects

  • L'analyse de la signature du courant moteur (MCSA) peut révéler des problèmes de torsion
  • Modèles d'usure des dents d'accouplement et d'engrenage
  • Emplacements et orientations des fissures de fatigue de l'arbre
  • Modèles de vibrations latérales inhabituels pouvant être couplés à des modes de torsion

Conséquences et mécanismes de dommages

Défaillances dues à la fatigue

Le principal danger des vibrations de torsion :

  • Défaillances d'arbre : Fissures de fatigue généralement à 45° par rapport à l'axe de l'arbre (plans de contrainte de cisaillement maximale)
  • Défaillances de couplage : Usure des dents des accouplements à engrenages, fatigue des éléments flexibles
  • Rupture de dent d'engrenage : Accéléré par des oscillations de torsion
  • Dommages à la clé et à la rainure de clavette : Dégagement de contact et usure due au couple oscillant

Caractéristiques des ruptures par torsion

  • Souvent soudain et catastrophique sans avertissement
  • Surfaces de fracture à un angle d'environ 45° par rapport à l'axe de la tige
  • Marques de plage sur la surface de fracture indiquant la progression de la fatigue
  • Peut se produire même lorsque les niveaux de vibrations latérales sont acceptables

Problèmes de performances

  • Problèmes de contrôle de vitesse dans les entraînements de précision
  • Usure excessive des boîtes de vitesses et des accouplements
  • Bruit provenant des cliquetis des engrenages et des impacts de l'accouplement
  • Inefficacité de la transmission d'énergie

Analyse et modélisation

Analyse de torsion pendant la conception

Une conception appropriée nécessite une analyse de torsion :

  • Calcul de la fréquence naturelle : Déterminer toutes les vitesses critiques de torsion
  • Analyse de la réponse forcée : Prédire les amplitudes de torsion dans les conditions de fonctionnement
  • Diagramme de Campbell : Afficher les fréquences naturelles de torsion par rapport à la vitesse de fonctionnement
  • Analyse des contraintes : Calculer les contraintes de cisaillement alternées dans les composants critiques
  • Prédiction de la durée de vie en fatigue : Estimer la durée de vie des composants sous charge de torsion

Outils logiciels

Un logiciel spécialisé effectue une analyse de torsion :

  • Modèles à masses concentrées multi-inerties
  • Analyse de torsion par éléments finis
  • Simulation temporelle d'événements transitoires
  • Analyse harmonique dans le domaine fréquentiel

Méthodes d'atténuation et de contrôle

Solutions de conception

  • Marges de séparation : Assurez-vous que les fréquences naturelles de torsion sont à ±20% des fréquences d'excitation
  • Amortissement: Incorporer des amortisseurs de torsion (amortisseurs visqueux, amortisseurs à friction)
  • Accouplements flexibles : Ajoutez une conformité torsionnelle pour abaisser les fréquences naturelles en dessous de la plage d'excitation
  • Réglage de masse : Ajoutez des volants d'inertie ou modifiez les inerties pour décaler les fréquences naturelles
  • Changements de rigidité : Modifier les diamètres des arbres ou la rigidité de l'accouplement

Solutions opérationnelles

  • Restrictions de vitesse : Éviter le fonctionnement continu à des vitesses critiques de torsion
  • Accélération rapide : Passez rapidement les vitesses critiques au démarrage
  • Gestion de la charge : Éviter les conditions qui excitent les modes de torsion
  • Réglage du variateur de fréquence : Ajuster les paramètres d'entraînement pour minimiser l'excitation de torsion

Sélection des composants

  • Accouplements à haut amortissement : Accouplements élastomères ou hydrauliques qui dissipent l'énergie de torsion
  • Amortisseurs de torsion : Dispositifs spécialisés pour l'entraînement des moteurs alternatifs
  • Qualité de l'équipement : Les engrenages de précision avec des tolérances serrées réduisent l'excitation
  • Matériau de la tige : Matériaux à haute résistance à la fatigue pour arbres critiques en torsion

Applications et normes industrielles

Applications critiques

L'analyse de torsion est particulièrement importante pour :

  • Entraînements de moteurs alternatifs : Générateurs diesel, compresseurs de moteurs à gaz
  • Arbres de transmission longs : Propulsion marine, laminoirs
  • Boîtes de vitesses haute puissance : Éoliennes, transmissions par engrenages industriels
  • Variateurs de vitesse : Applications de moteurs VFD, systèmes servo
  • Systèmes multi-corps : Groupes motopropulseurs complexes avec plusieurs machines connectées

Normes pertinentes

  • API 684 : Dynamique des rotors, y compris les procédures d'analyse de torsion
  • API 617 : Exigences de torsion du compresseur centrifuge
  • API 672 : Analyse de torsion du compresseur alternatif emballé
  • ISO 22266: Vibrations de torsion des machines tournantes
  • VDI 2060 : Vibrations de torsion dans les systèmes d'entraînement

Relation avec d'autres types de vibrations

Bien que distinctes des vibrations latérales et axiales, les vibrations de torsion peuvent s'y coupler :

  • Couplage latéral-torsionnel : Dans certaines géométries, les modes de torsion et latéraux interagissent
  • Engrenage : Les vibrations de torsion créent des charges dentaires variables qui peuvent provoquer des vibrations latérales
  • Joints universels : Le désalignement angulaire couple l'entrée torsionnelle à la sortie latérale
  • Défi diagnostique : Les signatures vibratoires complexes peuvent avoir des contributions provenant de plusieurs types de vibrations

La compréhension et la gestion des vibrations de torsion sont essentielles au fonctionnement fiable des systèmes de transmission de puissance. Bien qu'elles soient moins étudiées que les vibrations latérales lors de la surveillance de routine, leur analyse est essentielle lors de la conception et du dépannage des systèmes d'entraînement de haute puissance ou de précision, où les défaillances de torsion peuvent avoir des conséquences catastrophiques.

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