Équilibrage des rotors rigides et flexibles

Il est connu qu’une pièce « qui ne tourne pas rond » génère des efforts tournants dus aux balourds installés d’autant plus élevés que la vitesse de rotation augmente :

Des vibrations de la machine en résultent, sous l’effet des forces développées par les paliers pour s’opposer aux forces des balourds. La manifestation la plus connue en est le franchissement d’une « vitesse critique », coïncidence d’une fréquence propre du rotor et de la vitesse de rotation. Dans aucun cas il ne doit y avoir contact entre rotor et stator, et l’intégrité de l’installation en fatigue doit être respectée. La solution est l’équilibrage, action consistant à minimiser le balourd du rotor.

Ponctuellement, le problème est très simple. Il consiste à ramener le centre de masse sur l’axe de rotation. En général, les rotors présentent plusieurs roues, disques, masses, ou accouplements … montés sur un arbre qui est plus long que le plus grand diamètre extérieur. La difficulté rencontrée est que la distribution de balourd tout le long du rotor est inconnue et, par conséquent, que le balourd ponctuel ne peut être corrigé individuellement ! Une définition plus rigoureuse est donc que l’équilibrage est l’opération qui consiste à minimiser l’effet des balourds sur les vibrations du rotor et sur les efforts transmis aux paliers.

Les procédures utilisées consistent à appliquer, sur cette distribution inconnue de balourd, un ensemble fini de balourds correcteurs, de façon à ce que l’ensemble se comporte de façon satisfaisante. Il s’agit donc bien de la recherche d’un compromis, dont le résultat est lié aux conditions choisies pour réaliser l’opération d’équilibrage.

La maintenance préventive des machines tournantes passe par une surveillance permanente de leurs vibrations. Un comportement sain est synonyme d’un bas niveau des vibrations et de leur constance dans le temps.

Le balourd résiduel qui gouverne la vibration synchrone correspond à une qualité intrinsèque de la machine, au même titre que ses performances énergétiques.

Cet article va s’attacher à décrire les procédures et critères d’équilibrages. On traitera surtout des machines telles que moteurs électriques, pompes rotatives, turbines, compresseurs, ventilateurs, engrenages, etc., qui sont d’un usage particulièrement courant pour toute transformation de forme d’énergie. Les rotors considérés ont deux propriétés principales :

• ils sont axisymétriques (axe de symétrie de révolution) ;

• ils sont isotropes (mêmes propriétés dans toutes les directions radiales).

Les équilibrages de rotors rigides (à basse vitesse) et flexibles (à vitesse nominale ou in situ) seront présentés. Par contre, l’équilibrage des ensembles mobiles des machines alternatives ne sera pas traité spécifiquement, car les efforts d’inertie des pistons ne sont pas d’origine centrifuge et ne tournent pas avec le rotor. Néanmoins, les principes définis dans cet article pourront leur être transposés, la méthode des coefficients d’influence étant assez universelle. L’équilibrage statique par gravit é, appliqué à de très grandes roues Francis destinées à des barrages hydrauliques, est juste cité ici, mais ne sera pas traité.

Enfin, on remarquera qu’il est nécessaire d’utiliser des modèles mathématiques. La pratique de l’équilibrage ne peut pas être déconnectée de la théorie pour comprendre précisément les phénomènes.