Memoire Online - Analyse vibratoire des machines sur un banc d'essai - cas d'un disque tournant

Le troisième chapitre, fera l'objet du principe d'équilibrage avec les différentes techniques de réparation d'un cas du balourd et son application sur les moteurs asynchrones. Afin de valider la théorie de l'équilibrage étudié, nous allons effectuer un test par simulation sur le kit simulateur.

Enfin, nous donnerons une conclusion générale qui met en évidence les résultats de notre recherche et les implications de nos résultats.

CHAPITRE I

Les moteurs fonctionnent selon un principe commun qui est celui de l'induction. Il y a une relation entre le stator, qui génère le champ magnétique et le rotor, qui transmet la force motrice, avec un isolement galvanique entre les deux éléments. L'alimentation du bobinage du stator génère une induction magnétique à laquelle est associé un champ magnétique à partir duquel est créée la force motrice. Pour produire un mouvement de rotation, le rotor doit être soumis à deux flux alternatifs qui ne sont pas synchronisés dans le temps et qui sont appliqués en deux endroits distincts, décalés selon la direction du mouvement souhaité. [3]

Le rotor. Celui-ci est constitué de conducteurs (des bobinages ou carrément des barres métalliques) disposés le long du rotor et court-circuités. Lorsque le champ tournant balaye ces conducteurs, il induit des courants qui entrent en interaction avec le champ et permettent à un couple moteur de se créer. Le rotor se met alors à tourner et se stabilise à une vitesse toujours légèrement inférieure à la vitesse de synchronisme. Il est impossible pour le rotor de tourner à la vitesse de synchronisme puisqu'il serait alors baigné dans un champ fixe, et donc parcouru par un courant nul. En l'absence de courant, le couple serait nul, et la machine décélèrerait. La légère différence de vitesse justifie le terme de « glissement » du rotor par rapport au champ tournant. [4]

Chapitre I Principaux Défauts de la Machine Asynchrone, Causes et Conséquences

I.3. Construction de la machine asynchrone

La machine asynchrone (figure.I.1) comporte un stator muni d'un enroulement triphasé et d'un rotor portant un enroulement triphasé ou une cage. C'est un transformateur à champ tournant dont le primaire est le stator et dont le secondaire, mis en court-circuit et libre de tourner.

Deux composantes principales constituent le moteur asynchrone, souvent appelé moteur d'induction. Elles sont faites de tôles d'acier au silicium et comportent des encoches dans lesquelles on place les enroulements. L'une des composants, appelée le stator, est fixe ; on y trouve les enroulements reliés à la source. L'autre composante nommée le rotor, est montée sur un axe et libre de tourner. Selon que les enroulements du rotor sont accessibles de l'extérieur ou sont fermés sur eux-mêmes en permanence, on reconnait deux types de rotor : le rotor bobiné et le rotor à cage d'écureuil. [5]

Est une partie fixe, composé par trois enroulements (bobines) régulièrement reparties et possédant deux pôles`2p'. Ils peuvent être couplés en étoile ou en triangle selon la règle suivante :

- Si la tension supportée par chaque enroulement est égale á la tension simple du réseau, le Stator doit être couplé en étoile.

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- Si la tension supportée par chaque enroulement est égale á la tension composée du réseau, le stator doit être couplé en triangle.

Les enroulements sont logés dans des encoches d'une armature cylindrique constituée d'un matériau ferromagnétique feuilleté afin de limiter les pertes par courant de Foucault. Le stator est fixé au corps du moteur et se compose d'un empilage de tôles très fines et de trois enroulements. En réseau triphasé, chaque enroulement est bobiné autour d'un noyau statorique et forme un électroaimant (une paire de pôles) lorsqu'il est relié à une phase du réseau. Le moteur asynchrone triphasé alternatif est le seul à fonctionner grâce à l'alternance des phases du réseau électrique.

L'explication physique est la suivante : La circulation d'un courant dans une bobine crée un champ magnétique H. Ce champ est dans l'axe de la bobine, sa direction et son intensité sont fonction du courant I_s. Si le courant est alternatif, le champ magnétique varie en sens et en direction à la même fréquence que le courant. Si deux bobines sont placées à proximité l'une de l'autre, le champ magnétique résultant est la somme vectorielle des deux autres.

Dans le cas du moteur triphasé, les trois bobines sont positionnées dans le stator à 120° les unes des autres, ce qui crée trois champs magnétiques. Compte-tenu de la nature du courant sur le réseau triphasé, les trois champs sont déphasés. Ainsi alimenté, le stator génère un champ magnétique, dit champ statorique tournant à une vitesse qui est dite de synchronisme (Ns). La fréquence de rotation de ce champ est liée à la fréquence du réseau et au nombre de paires de pôles de l'enroulement. Ns = 60f / p en nombre de tours par minute (RPM). [3]

Est un partie en mouvement, et en court-circuit, Il y a deux types : bobine ou à cage d'écureuil. Il est composé d'un empilage de fines tôles métalliques isolées entre elles (afin d'éviter la circulation des courants de Foucault), d'enroulements et de conducteurs qui sont en

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court-circuit. Sa particularité est de réagir au champ magnétique généré par le stator, (le champ statorique). Selon la loi de Lenz, le courant induit dans le rotor s'oppose, par son champ magnétique aux effets du champ inducteur. Les variations de flux entre les enroulements statoriques et rotoriques se traduisent par l'apparition d'une force : le couple. Le rotor entre ainsi en rotation à une vitesse nominale (N) qui se rapproche de la vitesse de synchronisme (Ns) qui est la vitesse maximale de rotation liée à la fréquence de l'alimentation.

La différence de vitesse entre Ns et N est nommée vitesse de glissement, d'où l'emploi de l'appellation « moteur asynchrone » qui traduit cette différence de vitesse. Le glissement g est exprimé en % de la vitesse de synchronisme et se calcule selon la formule suivante :

Quand le moteur est en phase de démarrage, la vitesse du rotor est nulle et la différence de vitesse de rotation du champ magnétique et celle du rotor est maximale, ce qui génère l'induction de forts courants rotoriques par l'absence de force contre électromotrice (c'est l'origine du fort courant d'appel). Quand le rotor accélère, la différence de vitesse se réduit et les courants rotoriques diminuent. La vitesse du rotor se stabilise à sa vitesse N. [3]

Il n'est relié à aucune alimentation électrique, il est muni d'un enroulement triphasé, composé des bobines. L'enroulement généralement couplée en étoile et connecté à trois bagues conductrices isolées les unes des autres sur lesquelles frottent des balais en graphite.

L'extrémité libre de chaque enroulement est reliée à une bague tournant avec l'arbre. Ces bagues permettent, par l'intermédiaire de trois balais, d'insérer une résistance extérieure en série avec chacun des trois enroulements lors du démarrage du moteur. En fonctionnement normal, les trois balais sont court-circuités. [7]

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Dans le type le plus utilisé, connu sous le nom de rotor à cage d'écureuil, des barres de cuivre ou d'aluminium sont placées dans des fentes découpées dans le fer laminé, les extrémités des barres étant soudées ou brasées dans un lourd anneau conducteur (figure I.4). Les conducteurs sont placés dans des fentes du noyau du rotor en fer laminé. Si les fentes sont inclinées, on obtient un meilleur démarrage et un fonctionnement plus silencieux. Ce type de rotor n'a pas de connexion externe, ce qui signifie que les bagues collectrices et les balais ne sont pas nécessaires. Le moteur à cage d'écureuil est bon marché, fiable et efficace.[9]

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Fig.I.4. Structure d'un rotor à cage d'écureuil [3] [8]. I.3.3. Les organes mécaniques

La carcasse sert de support, elle joue le rôle d'enveloppe et assure la protection contre l'environnement extérieur.

L'arbre est un organe de transmission. Il comprend une partie centrale qui sert de support au corps du rotor et un bout d'arbre sur lequel est fixé un demi-accouplement. Il est généralement constitué en acier moulé ou forgé. Son dimensionnement est fonction des efforts de flexion (force centrifuge qui s'exerce sur lui, attraction magnétique radial, etc....), des efforts radiaux et tangentiels dus aux forces centrifuges, des efforts de torsion (couple

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électromagnétique transmis en régime permanent, transitoire). Il est supporté par un ou plusieurs paliers. Ces paliers soutiennent le rotor et assurent la libre rotation. Le second palier est libre pour assurer les dilatations thermiques de l'arbre. Une isolation électrique de l'un des paliers assure l'élimination des courants dans l'arbre dû aux dissymétries des réluctances du circuit magnétique. Ils sont généralement à roulements pour les machines de petite et moyenne puissance.[10]

Éléments roulants ou antifriction Les roulements à éléments roulants sont l'un des types les plus courants utilisés dans les machines. Les roulements sont basés sur un mouvement de roulement, par opposition au mouvement de glissement des paliers lisses. L'utilisation d'éléments roulants entre les surfaces tournantes et stationnaires réduit le frottement à une fraction de celui résultant de l'utilisation de paliers lisses. L'utilisation de roulements est déterminée par de nombreux facteurs, notamment la charge, la vitesse, la sensibilité au désalignement, les limitations d'espace et le désir de positionnement précis de l'arbre. Ils supportent des charges radiales et axiales et sont généralement utilisés dans des applications à vitesse modérée à élever.

Contrairement aux paliers lisses à film fluide, les roulements à éléments roulants ont la capacité supplémentaire de supporter la charge totale de l'ensemble du rotor à n'importe quelle vitesse. Alors que les paliers à film fluide doivent avoir un engrenage tournant pour supporter le poids du rotor à basse vitesse, les roulements à éléments roulants peuvent maintenir l'axe central de l'arbre sur toute la plage de vitesse de la machine.[11]

Dans le milieu industriel le maintien de la continuité de service nécessite un effort de la part des exploitants de production. Le maillon faible est principalement la machine électrique, car sa panne paralyse immédiatement la production et entraîne une perte financière très importante. Une maintenance dite « prédictive » doit donc être assurée afin de prévenir à temps les défauts susceptibles de se produire dans les moteurs.

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- Ne permet pas de prendre en compte l'évolution réelle de leur état I.4.3. Maintenance prévisionnelle

Maintenance préventive subordonnée à l'analyse de l'évolution surveillée de paramètres significatifs de la dégradation du bien, permettant de retarder et planifier les interventions.

Maintenance exécutée à intervalles prédétermines ou selon des critères prescrits et destinée à réduire la probabilité de défaillance ou la dégradation du fonctionnement d'un bien.

Maintenance préventive qui comprend une combinaison de surveillance en fonctionnement et/ou d'essais, d'analyse et les actions qui en découlent.

La maintenance conditionnelle est basée sur l'analyse de l'évolution dans le temps de paramètres significatifs.

Note : Les définitions des types de maintenance selon les normes EN NF 13306 , AFNOR X60-010) .

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Fig.I.6. Seuil de maintenance [13] I.4.6. L'importance de la maintenance

Les enjeux économiques liés à la maintenance des systèmes industriels, dont ceux entrainés par des moteurs asynchrones, sont très importants pour les entreprises. Cette remarque est d'autant plus vraie aujourd'hui en raison de l'automatisation, de la complexification et de l'interdépendance des machines et des lignes de production. Cependant, ce poste de dépense a longtemps été considéré comme inéluctable et faisant partie des frais généraux de fonctionnement.

La maintenance industrielle constitue pourtant un gisement de compétitivité élevé pour beaucoup d'entreprises. Les coûts directement ou indirectement associés à la maintenance représentent en effet un pourcentage élevé dans l'analyse du coût du cycle de vie (CCV) des systèmes industriels et peuvent être diminués en optimisant la stratégie de maintenance adoptée. [14]

Les coûts de maintenance, tels qu'ils sont définis par les procédures comptables normales des usines, représentent normalement une part importante des coûts d'exploitation totaux dans la plupart des usines. Aux États-Unis, les coûts d'entretien traditionnels (c'est-à-dire la main-d'oeuvre et les matériaux) ont augmenté à un rythme effréné au cours des dix dernières années. En 1981, les usines nationales ont dépensé plus de 600 milliards de dollars pour entretenir leurs systèmes critiques. En 1991, les coûts avaient augmenté à plus de 800 milliards de dollars, et on prévoyait qu'ils atteindraient 1,2 billion de dollars en l'an 2000. Ces évaluations indiquent qu'en moyenne, un tiers, soit 250 milliards de dollars, de tous les dollars consacrés à la maintenance sont gaspillés en raison de méthodes de gestion de la maintenance inefficaces. L'industrie américaine ne peut absorber ce niveau incroyable d'inefficacité et espérer être compétitive sur le marché mondial.

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En raison de la nature exorbitante des coûts de maintenance, ils représentent le plus grand potentiel d'amélioration à court terme. Les retards, les rejets de produits, les temps d'arrêt prévus pour la maintenance et les coûts de maintenance traditionnels (tels que la main-d'oeuvre, les heures supplémentaires et les pièces de rechange) sont généralement les principaux facteurs contribuant aux coûts de maintenance anormaux dans une usine.

Jusqu'à récemment, les cadres moyens et supérieurs n'ont pas tenu compte de l'impact des opérations de maintenance sur la qualité des produits, les coûts de production et, surtout, les bénéfices nets. L'opinion générale était que "la maintenance est un mal nécessaire" ou que "rien ne peut être fait pour améliorer les coûts de maintenance". Ces affirmations étaient peut-être vraies il y a 10 ou 20 ans. Cependant, le développement de microprocesseurs ou d'instruments informatiques pouvant être utilisés pour surveiller l'état de fonctionnement des équipements, des machines et des systèmes de l'usine a fourni les moyens de gérer les opérations de maintenance. Ils ont permis de réduire ou d'éliminer les réparations inutiles, de prévenir les pannes catastrophiques des machines et de réduire l'impact négatif des opérations de maintenance sur la rentabilité des usines de fabrication et de production.[11]

Le tableau ci-dessous défier les étapes de la terminologie dédiée au diagnostic. Tab.I.1. Terminologie & définitions [15].

Terminologie	Définitions
Défaut	Déviation non permise d'au moins d'une propriété ou d'un paramètre caractéristique du système par rapport aux conditions normales de fonctionnement.
Panne ou défaillance	Interruption permanente de la capacité du système à remplir une fonction requise dans des conditions d'opérations spécifiées.
Dysfonctionnement	Exécution d'une fonction du système au cours de laquelle le service rendu n'est pas délivré ou est délivré de manière incomplète.
Symptôme	Changement d'une quantité observable par rapport à un comportement normal.
Perturbation	Signal d'entrée non contrôlé dont la présence est non souhaitable mais considérée comme normale.
Suivi	Fonction maintenant en permanence un historique des traitements effectués par le système de commande/supervision et une trace des événements que perçoit le système.
Détection de défauts	Détermination de la présence de défauts et de l'instant d'occurrence de ces défauts.
Localisation de défauts	Détermination du type, de la localisation et de la date d'un défaut détecté. Elle consiste à remonter d'un ensemble de symptômes à un

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	ensemble de composants défaillants.
Identification de défauts	Détermination de la taille et du comportement temporel d'un défaut. C'est une fonction qui suit la localisation.
Diagnostic	Détermination du type, de la taille, de la localisation et de l'instant d'occurrence d'un défaut. C'est une fonction qui suit la détection et inclut les fonctions de localisation et d'identification.
Surveillance	Ensemble de fonctions s'exécutant en temps réel ayant pour but de reconstituer l'état réel du procédé au sein des modèles utilisés par le système de conduite du procédé. Elle consiste à l'enregistrement de l'information ainsi qu'à la reconnaissance et l'indication des comportements anormaux.
Supervision	Représente la surveillance d'un système physique et la prise de décisions appropriées en vue de maintenir son opération face à des défaillances.

Il existe deux types de défauts principaux : internes et externes. Nous pouvons ainsi remarquer que les défauts internes de la machine sont causés par les constituants de la machine (circuit magnétique rotorique et statorique, bobinage statorique, entrefer mécanique, cage rotorique, ...) alors que les défauts externes sont provoqués, soit par les tensions d'alimentation et la charge mécanique, soit par l'environnement de l'utilisation de la machine. [16]

- Mécaniques: mauvaise fabrication, vibrations de la machine, force électromagnétiques

- Thermiques: pertes dans le cuivre, manque de refroidissement général ou localisé.

Afin d'orienter notre étude vers la détection d'une ou plusieurs catégories de défaillances, il est nécessaire de connaitre les défauts se produisant le plus régulièrement dans les systèmes d'entrainement asynchrones et également ceux dont les conséquences sont les plus graves. Dans la littérature, plusieurs études ont été menées à grande échelle sur des moteurs asynchrones aux caractéristiques fortement différentes afin de connaitre la répartition des défaillances survenant dans ces systèmes [17], [18], [19] . Les résultats obtenus à l'issue de ces différentes études sont représentés sur la figure I.7 en classant les défauts selon 4 catégories : roulements, stator, rotor et autres.

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Fig.I.7. Répartition des défauts rencontrés dans les entrainements asynchrones [14]
selon les études [17], [18] et [19].

Ces études statistiques nous informent que la majorité des défaillances rencontrées concernent les roulements à billes. Les défaillances au stator (majoritairement liées à l'isolation des bobinages) constituent également un pourcentage important des dégradations observées. Enfin, les défauts au rotor (arbre, accouplement, etc.) semblent se produire moins fréquemment.

Une étude a été menée auprès d'une filiale de service de Leroy Somer spécialisée dans la maintenance des systèmes d'entrainement. Cette étude n'est pas quantitative comme celles présentées dans [17], [18] et [19] mais se base sur l'expérience acquise au cours des phases de maintenance réalisées. Les chiffres fournis par la suite ne sont donc probablement pas strictement fidèles à la réalité mais fournissent une vision globale de la répartition des défaillances observées dans les systèmes entrainés par les moteurs asynchrones ciblés par notre étude. Les résultats obtenus sont illustrés par la figure I.8.

Fig.I.8. Répartition des défauts rencontrés dans les applications entrainées par les
moteurs asynchrones de la gamme Leroy Somer selon l'enquête menée auprès d'une
filiale de maintenance. [14]

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Les roulements sont des composants typiques des moteurs qui sont utilisés pour permettre la rotation de l'arbre. La majorité des pannes de moteur sont dues à un mauvais fonctionnement des roulements. Les roulements sont constitués de billes, d'une cage et de bagues intérieure et extérieure. Plusieurs éléments roulants (billes) sont placés entre ces deux bagues. La cage est utilisée pour maintenir les billes à égale distance les unes des autres. Les contraintes développées dans le moteur provoquent une fatigue des bagues des roulements, qui entraîne des défauts localisés (défauts uniques tels que l'écaillage, les piqûres, les bosses ou les trous) et des défauts répartis (rugosité de surface généralisée) dans les roulements du moteur.

Les défauts localisés sont induits principalement par l'usure opérationnelle (fatigue de contact) des roulements. Si les roulements sont correctement installés, exempts de contamination et bien lubrifiés pendant le fonctionnement, la défaillance des roulements ne se produira qu'après la durée de vie prédéterminée (millions de cycles) des roulements.

Ce type de défaillance commence initialement dans un sous-sol à un niveau microscopique en un seul point, puis, en raison des cycles de contrainte continus, elles peuvent finir par provoquer une rupture du matériau. Ces défauts ponctuels sont caractérisés comme des écaillages ou des piqûres, ou des défauts localisés. La défaillance des roulements peut également se produire en raison de leur température élevée.

La température des roulements ne doit pas augmenter au-delà de certains degrés dans des conditions nominales.

Degrés spécifiques dans les conditions nominales. Par exemple, dans les industries pétrolières et chimiques, la norme IEEE 841 spécifie que l'augmentation de la température des roulements, sous une charge nominale, ne doit pas dépasser 45°. L'augmentation de la température du bobinage, une mauvaise lubrification, la répartition de la température dans le moteur et la vitesse de fonctionnement du moteur sont les principaux facteurs d'augmentation de la température des roulements.[20]

Par conséquent, les mesures de la température des roulements peuvent fournir des données utiles pour estimer l'état de santé des roulements ainsi que celui du moteur.

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Fig.I.9. Exemple de roulement. (a) Défauts localisés. (b) Défauts distribués. [20] I.6.1.1. Fréquences caractéristiques des défauts du roulement

Nous pouvons distinguer quatre types de défauts de roulement, en fonction de leur localisation :

Chaque type de défaut cité ci-dessus est caractérisé par une fréquence fondamentale calculée à partir des dimensions du roulement et de la fréquence de rotation de l'arbre (????). Les expressions de ces fréquences pour les défauts de bague externe, de bague interne, de billes et de cage sont données respectivement, où ???? et ???? sont les diamètres d'une bille et de la cage, ?? est l'angle de contact de la bille avec les bagues et ???? est le nombre de billes.[21]

y' Défaut de cage

?? ??

Les défauts qui sont les plus récurrents, localisés au niveau du stator, peuvent être définis comme suit : défaut d'isolant, court-circuit entre spires, court-circuit entre phases, court-

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circuit entre phase et bâti, déséquilibre d'alimentation, défaut de circuit magnétique. Ces défauts sont habituellement liés à une dégradation de l'isolement.

Le court-circuit entre spires de la même phase est l'un des défauts les plus fréquents, qui peut être modélisé par une résistance connectant deux points de la bobine, sa valeur dépend de la gravité du défaut. La figure I.10 montre le bobinage du stator de la machine avec défaut entre spires. Le défaut est survenu sur l'enroulement de la phase a_s avec une résistance de défaut rf. Lorsque le défaut évolue vers un court-circuit franc, la résistance diminue vers zéro. A un stade avancé, un défaut de court-circuit entre spires peut s'aggraver et évoluer vers un court-circuit phase-phase ou phase-terre. L'augmentation de la température engendrée entraîne par la suite la destruction progressive des isolants et par effet cumulatif, la destruction complète de la machine. En général, un défaut de court-circuit engendre des vibrations et des oscillations de couple synonymes de présence de nouvelles composantes dans le couple électromagnétique. En effet, la résistance de court-circuit forme un nouveau bobinage qui induit un champ magnétique additionnel dans la machine.[22]

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Fig.I.10. Différents types de défauts statorique [22] [23] I.6.3. Défauts au rotor

Dans une machine asynchrone avec un rotor à cage d'écureuil, les défauts se résument à la rupture de barres ou à la rupture d'anneaux de court-circuit. Ils sont souvent causés par les mauvaises conditions d'opérations essentiellement par des hautes températures ou les fortes charges surtout aux démarrages. En effet, une rupture partielle ou totale d'une de ces composantes peut être considérée comme un défaut. En conséquence, l'évolution du défaut réduit la valeur moyenne du couple électromagnétique, provoque des oscillations de la vitesse de rotation et engendre des vibrations mécaniques. L'augmentation de ces phénomènes accélère la dégradation de la cage rotorique. Les barres cassées peuvent alors s'ouvrir à l'extérieur en raison des forces centrifuges et endommager de façon catastrophique les enroulements statoriques.[22]

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Dans une machine idéale, le centre du rotor est aligné sur celui du stator et l'axe de rotation du rotor est le même que l'axe du stator, comme illustré dans la figure I.12. Toutefois, les conséquences des défauts mécaniques peuvent se manifester au niveau de l'entrefer par un décentrement du rotor, se traduisant par des oscillations de couple . Ce phénomène est appelé excentricité défini comme une asymétrie dans l'entrefer entre le stator et le rotor. Ce défaut existe en général dans la machine, mais avec un faible niveau, dès sa fabrication et évolue avec le temps. Certains utilisateurs et fabricants spécifient un niveau d'excentricité maximal admissible de 5% alors que d'autres permettent un niveau maximal de 10% de la largeur de l'entrefer .Tout niveau d'excentricité supérieur à 60% nécessite une intervention immédiate afin d'éviter un frottement entre le rotor et le stator [21], ce qui peut mener à une panne très grave de la machine.

Trois catégories d'excentricité peuvent être identifiées dans la littérature et sont illustrées dans la figure I.13 :

- Excentricité statique (figure I.13 (a)) : le rotor est déplacé du centre de l'alésage du stator mais il tourne toujours autour de son axe. Elle est due généralement soit à une imperfection de

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l'alésage du stator, soit à un mauvais positionnement du rotor ou du stator à l'étape de mise en service.

- Excentricité dynamique (figure I.13 (b)) : le rotor est positionné au centre de l'alésage du stator mais il ne tourne plus autour de son axe. Ce type peut être provoqué par divers facteurs tels que l'usure des roulements, les résonnances mécaniques à la vitesse critique et le désalignement.

- Excentricité mixte (figure II.13 (c)) : la combinaison des deux cas cités précédemment.

Fig.I.13. Types d'excentricités statiques (a), dynamique (b) et mixte (c) [21] I.6.5. Alignement d'arbres

L'alignement des arbres est le positionnement correct des axes des arbres des composants d'entraînement et des composants entraînés (c'est-à-dire les pompes, les boîtes de vitesses, etc.) qui constituent la chaîne cinématique de la machine. L'alignement est réalisé soit en calant, soit en déplaçant un composant de la machine, soit les deux. Son objectif est d'obtenir un axe de rotation commun à l'équilibre de fonctionnement pour deux arbres couplés ou un train d'arbres couplés. [11]

Deux arbres parfaitement alignés sont colinéaires et fonctionnent comme un arbre solide lorsqu'ils sont couplés. Cette condition est illustrée à la figure I.14 Cependant, il est extrêmement rare que deux arbres soient parfaitement alignés sans qu'une procédure d'alignement ne soit effectuée sur eux. En outre, l'état de l'alignement doit être contrôlé régulièrement pour maintenir la condition d'alignement parfait.

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I.6.5.2. Désalignement angulaire ou frontal (le délignage ou défaut de lignage)

Une bonne connaissance de l'alignement angulaire, également appelé désalignement frontal, est nécessaire pour comprendre les conditions d'alignement et effectuer les tâches associées à l'alignement des machines et des trains, telles que le dessin des graphiques d'alignement, le calcul des corrections de pied, la spécification de la croissance thermique, l'obtention des spécifications cibles et la détermination de l'alignement des arbres d'espacement. Le désalignement angulaire fait référence à la condition dans laquelle les arbres ne sont pas parallèles mais se trouvent dans le même plan sans décalage. Ce cas est illustré à la figure I.15 Notez qu'en cas de désalignement angulaire, il est possible que les arbres correspondants soient dans le même plan à l'intersection de la face de l'accouplement mais qu'ils aient une relation angulaire telle qu'ils ne sont pas colinéaires.[11]

Fig.I.15. Désalignement angulaire (pas de décalage) [S. Kouidri et K. Ghris] I.6.5.3. Désalignement décalé ou parallèle

Le désalignement décalé, également appelé désalignement parallèle, fait référence à la distance entre deux axes d'arbres et se mesure généralement en millièmes de pouce. Le décalage peut être présent dans le plan vertical ou horizontal. La figure I.16 illustre le décalage, montrant deux arbres appariés qui sont parallèles l'un à l'autre mais non colinéaires. Théoriquement, le décalage est mesuré au niveau de l'axe de l'accouplement.

Fig.I.16. Désalignement parallèle. [S. Kouidri et K. Ghris] I.6.5.4. Désalignement combiné ou oblique

Un désalignement combiné ou oblique se produit lorsque les arbres ne sont pas parallèles (c'est-à-dire angulaires) et ne se croisent pas au niveau de l'accouplement (c'est-à-dire

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décalés). La figure I.17 montre deux arbres obliques, ce qui est le type de problème de désalignement le plus courant. Ce type de désalignement peut se produire dans le plan horizontal ou vertical, ou dans les deux plans (horizontal et vertical).

Deux paliers du même arbre d'une machine : les axes des deux paliers d'un même corps de machine ne sont pas concentriques. Cette anomalie peut être la conséquence d'un défaut de montage d'un palier, mais également d'un mauvais calage des pattes de fixation ou d'une déformation de chassis (par exemple, sous l'effet de contraintes thermiques), qui se traduit par une flexion de l'arbre du rotor.

Fig.I.18. Flexion d'arbre due à un défaut d'alignement ou de concentricité des paliers.

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Fig.I.19. Modes élastiques d'un rotor flexible. [25] I.6.7. Défaut de déséquilibre (balourd)

Le balourd est le résultat d'un ensemble de forces engendrées par les écarts existant entre les centres de gravité des différents éléments constituant le rotor et son axe de rotation. Cette force centrifuge, issue de ces défauts de « non-concentricité » ou d'ajustage, est proportionnelle à la masse de matière qui crée ce déséquilibre et au carré de la vitesse. Elle génère des efforts tournants qui vont agir sur les différents éléments constitutifs du rotor, les ancrages de la machine et les paliers jusqu'à entraîner leur dégradation. Le défaut de balourd

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est l'une des principales causes de réduction de la durée de vie des équipements et il constitue l'un des principaux risques pour la sécurité. C'est pour cette raison sans doute qu'il fait l'objet de normes importantes, tant pour son évaluation que pour sa correction. Ainsi, pour une classe d'équilibrage donnée, comparer l'amplitude de la vibration induite à des seuils fixes dans des normes ou à des spécifications de constructeurs, permettra de statuer sur le caractère acceptable ou non du déséquilibre et sur la nécessité de procéder ou non à un équilibrage suivant une procédure bien définie.

Le balourd, déséquilibre massique, peut provenir de défauts d'usinage, d'assemblage et de montage, mais aussi :

- D'une altération thermique ou d'une déformation suite à des dilatations différentes des matériaux constituant le rotor ou encore à des différences de température localisées (balourd thermique).[29]

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De nombreuses personnes pensent que le déséquilibre s'aggrave avec l'augmentation de la vitesse. Nous savons que ce n'est pas le cas. Ce graphique montre que le balourd est une constante - c'est une propriété de masse du rotor.

Fig.I.21. Le déséquilibre, la vélocité de vibration et la force centrifuge en fonction de

Le déséquilibre est une propriété du rotor et ne change pas avec la vitesse de rotation. La vélocité de vibration change en rapport direct avec la vitesse de rotation.

Si un rotor avec un balourd "nul" est utilisé à n'importe quelle vitesse, il n'y aura pas de vibrations ni de forces sur les paliers. Il ne s'agit bien sûr que d'une situation théorique. Si un poids d'une masse de 1 gramme est ajouté au rotor à un rayon de 100 mm, lorsqu'il tourne, il y aura des vibrations et des forces d'appui qui changeront avec la vitesse, mais le déséquilibre est fixé à 100 g.mm - à moins que nous tournions assez vite pour que le poids s'approche de la vitesse de la lumière, auquel cas il deviendrait plus court et plus massif - mais c'est un autre problème.

La plupart des fabricants de moteurs électriques standardisent l'équilibrage de leurs éléments rotatifs avec la totalité de la rainure de clavette remplie d'une demi-clavette. C'est-à-

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dire que l'arbre est totalement rempli. Les fabricants d'accouplements pratiquent les mêmes procédures lorsqu'ils équilibrent leurs accouplements. Lors de l'assemblage de ces deux éléments, une clavette en L ou en T doit être utilisée pour maintenir l'équilibre d'origine. La figure I.22 montre certaine des sources les plus courantes de déséquilibre associées à l'installation d'un accouplement. Chacune de ces conditions peut entraîner une défaillance prématurée dans les roulements, des accouplements ou des joints.[27]

Fig.I.22. Sources de déséquilibre [27] I.6.7.4. Déséquilibrage statique

Imaginons un rotor parfaitement en équilibre. Ajoutons en un endroit de ce rotor une masse M. Le rotor présentera un déséquilibre. Même à l'arrêt, le rotor reviendra à une position d'équilibre. Il s'agit d'un déséquilibrage statique. Dès que le rotor sera en rotation, la masse M exercera une force radiale proportionnelle à la vitesse de rotation selon la relation

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On mesure l'amplitude de l'accélération du signal vibratoire au point P1 et P2. Au point P1, l'amplitude vibratoire sera maximale lorsque la masse sera en haut du rotor. Elle sera minimale lorsqu'elle sera en bas du rotor, et ainsi de suite, à chaque tour du rotor. Il se passe la même chose au point P2. On voit que les efforts exercés sont en phase. Le signal vibratoire a donc une période de 1 tour. Pour trouver la fréquence de ce signal, il faut répondre à la question suivante :

Si on tourne à 1500 tours / minute, le signal sera à son maximum 1500 fois par minute. La fréquence du signal sera :

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Introduction Générale

CHAPITRE I

I.3. Construction de la machine asynchrone