Comprendre le balourd dans les machines tournantes
Déséquilibrer (utilisé de manière interchangeable avec déséquilibre) est la condition dans un rotor lorsque le centre de masse ne se trouve pas sur l'axe de rotation. Ce décalage — le excentricité — signifie que la masse est répartie de manière inégale autour de l'arbre. Lorsque le rotor tourne, la masse décentrée est projetée vers l'extérieur par force centrifuge, ce qui génère une charge rotative qui fait vibrer les roulements et l'ensemble de la machine. Le balourd est, de loin, la cause la plus fréquente de Vibrations dans les équipements rotatifs, et c'est cette défaillance qui équilibrage est là pour corriger.
1. Définition et principes physiques sous-jacents
Sur le plan quantitatif, le balourd U est le produit de la masse décalée et de son rayon par rapport à l'axe — un point de masse concentrée m assise au rayon r donne U = m·r, exprimé en grammes-millimètres (g·mm) ou en grammes-pouces. On peut également l'exprimer en multipliant la masse totale du rotor par l'excentricité de son centre de gravité (U = M·e). Ce qui importe d'un point de vue mécanique, c'est la force ainsi générée. La force centrifuge croît proportionnellement au carré de la vitesse angulaire :
F = m · r · ω² — doublez la vitesse et la force perturbatrice quadruplets.
C'est cette relation quadratique qui explique pourquoi un rotor qui tourne sans à-coups à la main peut vibrer violemment à vitesse de fonctionnement, et pourquoi les machines à grande vitesse doivent être équilibrées avec bien plus de précision que celles à faible vitesse. La force tourne avec l'arbre, ce qui fait qu'elle agit sur la structure une fois par tour — d'où la signature caractéristique du balourd.
2. La signature vibratoire classique
Le balourd est l'un des défauts les plus faciles à diagnostiquer, car ses caractéristiques sont très constantes :
- Fréquence: la vibration apparaît exactement à 1 fois la vitesse de rotation (the vitesse de fonctionnement). Modifiez la vitesse et le pic le suit avec précision — une caractéristique distinctive qui le différencie de nombreux autres défauts.
- Direction : l'énergie est principalement radial (horizontal et vertical), avec peu de Axiale (axiale).
- Amplitude : Elle est proportionnelle au carré de la vitesse : doubler le régime multiplie environ par quatre la réponse, comme le prédit la loi physique mentionnée plus haut.
- Phase : le 1× phase La mesure est stable et reproductible, ce qui permet justement de localiser et de corriger le point lourd.
Cette paire stable d'amplitude et de phase constitue la base de la correction : connaître l'amplitude de la réponse 1× et où Ces indications permettent à un analyste de déterminer la taille et l'angle du contrepoids nécessaire. Un pic pur de 1× accompagné de faibles vibrations axiales indique un déséquilibre ; en revanche, une forte composante de 2× suggère désalignement ou relâchement.
3. Les trois types de balourd
Balourd statique
Également appelé « balourd de force », il s'agit du cas le plus simple : la masse est décalée dans un seul plan, comme un point lourd sur un disque mince. On parle alors de statique car cela se produit lorsque le rotor est au repos : placé sur des arêtes de couteau sans frottement, le rotor tourne jusqu'à ce que le point lourd se stabilise en bas. On corrige ce phénomène en plaçant une seule masse à 180° du point lourd, dans la zone de équilibrage monoplan.
Balourd de couple
Ici, deux masses identiques sont situées aux extrémités opposées du rotor, à 180° l'une de l'autre. Elles s'annulent en tant que force résultante, mais forment un couple — un moment de basculement qui tente de faire pivoter le rotor bout à bout. Un rotor présentant un balourd de couple pur est équilibré statiquement (il ne bascule pas sur ses arêtes) mais vibre fortement une fois en rotation. La correction nécessite deux masses situées dans deux plans distincts pour contrebalancer ce moment de basculement.
déséquilibre dynamique
Le balourd dynamique, phénomène que l'on retrouve sur presque toutes les machines réelles, résulte de la combinaison de composantes de balourd statique et de composantes de couple. Pour y remédier, il faut modifier la masse dans au moins deux plans le long du rotor — le processus consistant à équilibrage dynamique (sur deux plans). Un cas très similaire, dans lequel les effets statiques et de couple occupent la même position angulaire, est appelé déséquilibre quasi-statique.
4. Causes courantes du balourd
Un balourd peut être présent dès la fabrication ou apparaître en cours d'utilisation. Parmi les causes courantes, on peut citer :
- Défauts de fabrication : Porosité dans les pièces moulées, densité inégale du matériau et tolérances d'usinage.
- Erreurs d'assemblage : des composants mal montés, des boulons mal serrés ou des clavettes mal alignées qui modifient la répartition des masses.
- Usure et détérioration : érosion irrégulière, corrosion ou porter sur les pales du ventilateur et la pompe roues à aubes.
- Accumulation de matériaux : accumulation de saletés, de poussière ou de résidus de produit sur les rotors des ventilateurs, des soufflantes et des centrifugeuses.
- Défaillance d'un composant : Un contrepoids délogé ou une pale cassée provoque instantanément un balourd important.
5. Pourquoi il est essentiel de corriger le balourd
L'utilisation d'une machine présentant un balourd important l'endommage progressivement, car la force de rotation exerce une contrainte cyclique sur la structure à chaque tour :
- Défaillance prématurée des roulements : Les roulements sont soumis à des charges dynamiques élevées et s'usent rapidement.
- Fatigue et fissuration : les contraintes cycliques s'accumulent fatigue dommages au niveau de l'arbre, des fondations et de la structure.
- Baisse de rendement : l'énergie est dissipée sous forme de vibrations et de chaleur au lieu d'être transformée en travail utile.
- Risques pour la sécurité : Un balourd sévère peut entraîner une défaillance catastrophique.
6. Mesure, correction et tolérances du balourd
Le balourd est éliminé grâce à une procédure d'équilibrage systématique — l'un des moyens les plus rentables d'améliorer la fiabilité des machines. Sur une machine déjà assemblée, cette opération est effectuée sur place plutôt que sur un machine à équilibrer. Un analyseur portable à deux canaux tel que le Balanset-1A mesure l'amplitude et la phase de la composante 1×, calcule la coefficients d'influence from a poids d'essai, et indique à l'ingénieur la masse et l'angle de la correction nécessaire pour une correction à un ou deux plans équilibrage sur place. Comme il fonctionne dans les roulements de la machine à vitesse de fonctionnement, il reflète fidèlement son état de fonctionnement réel.
L'équilibrage ne consiste jamais à atteindre zéro, mais à maintenir le balourd en dessous d'une limite définie. Cette limite découle de la classe de qualité d'équilibrage (classe G) system of ISO 21940-11 (qui a remplacé la norme ISO 1940-1, bien connue depuis longtemps). La classe d'équilibrage et la vitesse de service se traduisent par une valeur admissible balourd résiduel en g·mm ; un Calculateur de déséquilibre résiduel (ISO 21940-11) convertit directement la classe d'équilibrage et le régime sélectionnés en valeur admissible pour chaque plan.
