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1 - ROTORS ET BALOURDS

2 - CRITÈRES D’ÉQUILIBRAGE

  • 2.1 - Balourds résiduels
  • 2.2 - Vibrations résiduelles
  • 2.3 - Vitesse d’équilibrage

3 - TECHNIQUES D’ÉQUILIBRAGE

4 - ÉQUILIBRAGE DES ROTORS RIGIDES

5 - ÉQUILIBRAGE DES ROTORS FLEXIBLES

Article de référence | Réf : BM5130 v1

Équilibrage des rotors rigides
Équilibrage des rotors rigides et flexibles

Auteur(s) : Jean-Marc PUGNET

Date de publication : 10 juil. 1997

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Auteur(s)

  • Jean-Marc PUGNET : Ingénieur Arts et Métiers, ingénieur automaticien de l’Université de Grenoble - Chef du département recherches et développement de FRAMATOME - THERMODYN - Expert principal du groupe FRAMATOME

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INTRODUCTION

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 :

Force centrifuge (N) = Masse (kg) · Rayon (m) · Vitesse de rotation 2 (rad/s)

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.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-bm5130


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4. Équilibrage des rotors rigides

La réponse en rotation d’un rotor rigide est gouvernée essentiellement par la réponse des deux modes propres de corps solide (translation et basculement, cf. figure 9), la participation des modes propres élastiques supérieurs étant négligeable. Les équilibrages en rotors rigides sont pratiqués très couramment, y compris pour les rotors flexibles comme préliminaire à basse vitesse d’un équilibrage à vitesse nominale.

4.1 Machines à équilibrer

Rapides et faciles de mise en œuvre, elles sont équipées d’une instrumentation et de moyens de calculs autonomes sur microcalculateur, et sont des outils très performants. Elles sont construites suivant la norme ISO 2953 (machines à équilibrer-description et évaluation).

L’entraînement du rotor se fait par un moteur à vitesse variable à courant continu, avec éventuellement une boîte de vitesses, puis par courroie, comme sur la figure 13, ou par accouplement (figure 7).

  • Un entraînement par courroie (figure 13) amène peu de perturbation sur la mesure, mais est réservé aux équilibreuses de petite taille pour des rotors légers.

Les accouplements sont de deux types, soit avec des membranes élastiques (dits « à flector » ), soit à cardan, ce dernier type étant destiné à des rotors ayant plus d’inertie et nécessitant plus de couple d’entraînement. Les accouplements apportent des erreurs systématiques dans l’équilibrage, dues à leur assemblage mécanique complexe et à leurs masses. Il convient donc de choisir le meilleur moyen d’entraînement en fonction du critère à atteindre.

  • Les paliers illustrés sur la figure 14 sont des ensembles de galets réglables pour s’adapter à la géométrie du rotor ou de la pièce à...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BIGRET (R.), KARAJANI (P.), VIALARD (S.), CHEVALIER (R.) -   Machines tournantes – Détermination des coefficients d’influence par les caractéristiques modales.  -  Deuxième conférence MSTDAV (Méthodes de surveillance et Techniques de diagnostic acoustiques et vibratoires), Senlis (France). Revue française de mécanique no 1995-4, p. 277-283 – Société française de mécanique (F.), oct. 1995.

  • (2) - CHILDS (D.) -   Turbomachinery Rotordynamics (Dynamique de rotor des turbomachines).  -  476 p., J. Wiley & Sons New York (USA) (1993).

  • (3) - FRENE (J.), NICOLAS (D.), DEGUEURCE (B.), BERTHE (D.), GAUDET (M.) -   Lubrification hydrodynamique – Paliers et butées.  -  488 p., Eyrolles (F.) (1990).

  • (4) - LALANNE (M.), FERRARIS (G.) -   Rotordynamics prediction in engineering (Prédiction de dynamique de rotor en conception).  -  198 p., J. Wiley & Sons Ltd (G.B.), (1990).

  • (5) - LALANNE (M.), FERRARIS (G.) -   Dynamique de rotor.  -  Techniques de l’ingénieur. Traité Génie...

1 Fournisseurs de matériel d’équilibrage

HAUT DE PAGE

1.1 Machines à équilibrer

IRD Mechanalysis

REUTLINGER France

SCHENCK https://www.schenck-rotec.fr/

HAUT DE PAGE

1.2 Logiciels d’équilibrage

a) Voir les trois compagnies ci-dessus

b) VIBRO-METER France http://www.vibro-meter.com

HAUT DE PAGE

2 Normes françaises et internationales

ISO 1925 (2001), Vibrations mécaniques – Équilibrage. Vocabulaire .

ISO 2041 (1990)

ou NF E 90-001 (06-1993), Vibrations et chocs – Vocabulaire.

NF E 90-002 (10-1984), Vibrations...

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