Balourd : Signature Spectrale, Diagnostic et Équilibrage

Le balourd est la cause la plus fréquente de vibrations excessives en industrie. C'est le premier défaut que l'on cherche à écarter devant une vibration excessive, avant d'aller plus loin dans le diagnostic. Comprendre ses mécanismes, reconnaître sa signature spectrale et savoir quand et comment équilibrer sont des compétences fondamentales de tout analyste vibratoire.

Définition et origines du balourd

Un rotor est en équilibre parfait quand son axe de rotation coïncide exactement avec son axe principal d'inertie. Le balourd (ou déséquilibre) est l'écart entre ces deux axes : une masse excentrée par rapport à l'axe de rotation génère une force centrifuge tournante qui se traduit par des vibrations à la fréquence de rotation.

La force centrifuge générée par un balourd est proportionnelle au déséquilibre de masse et au carré de la vitesse de rotation : F = m × e × ω² (m = masse déséquilibrée, e = excentricité, ω = vitesse angulaire). C'est pourquoi les vibrations de balourd sont beaucoup plus intenses à haute vitesse qu'à basse vitesse.

Les quatre types de balourd

Type	Description	Correction	Exemple typique
Statique	Centre de masse décalé de l'axe de rotation. Détectable statiquement : posé sur des rails, le rotor s'immobilise toujours du même côté.	Correction en un seul plan	Disque, turbine axiale courte, poulie
Couple	Centre de masse sur l'axe mais axe d'inertie incliné. Invisible statiquement mais génère des couples vibratoires.	Correction en deux plans (équilibrage dynamique)	Arbres longs, rotors de turbines
Dynamique	Combinaison de statique et de couple. Le cas général.	Équilibrage dynamique en deux plans minimum	Rotor de moteur électrique, ventilateur industriel
Quasi-statique	Balourd statique et couple en phase (même plan de correction).	Un plan suffit parfois	Rare, rotors spécifiques à symétrie particulière

Causes fréquentes de balourd en industrie

Dépôt de matières (calcaire, boue, poussière) sur les pales de ventilateur ou d'impulseur de pompe
Érosion asymétrique des pales (cavitation, abrasion)
Pièce cassée ou manquante (demi-coupelle, boulon de pale)
Excentricité d'usinage (arbres, rotors, poulies)

Jeu excessif dans l'ajustage arbre/moyeu (clavette lâche)
Déformation thermique asymétrique en régime chaud
Réparation ou soudure ajoutant une masse asymétrique
Rotor de moteur avec cale de compensation asymétrique

Signature spectrale du balourd : reconnaître le 1x dominant

Le balourd a une signature spectrale très caractéristique et reconnaissable : une raie unique et dominante à la fréquence de rotation (1x), avec des harmoniques (2x, 3x) faibles voire inexistants. C'est le spectre le plus simple à interpréter en analyse vibratoire.

Signature typique du balourd pur

Raie 1x très dominante : souvent 5 à 10 fois supérieure aux autres raies
Raies 2x et 3x faibles : généralement < 10-15% de 1x
Mesure radiale >> mesure axiale : la force centrifuge est perpendiculaire à l'axe
Phase stable : la phase du 1x reste constante d'une mesure à l'autre (± 5-10°)
Amplitude proportionnelle à N² : si la vitesse double, la vibration quadruple

Signaux qui ressemblent au balourd mais n'en sont pas

Désalignement léger : 1x fort + 2x visible (10-30% de 1x). Phase axiale différente de la phase radiale.
Courbure d'arbre : 1x fort mais phase AXIALE très différente de 0° ou 180° entre les deux paliers.
Jeu de palier : 1x fort mais avec sous-harmoniques (0,5x, 0,33x) et harmoniques multiples.
Résonance : 1x amplifié quand la vitesse de rotation est proche d'une fréquence propre de structure.

Critère de confirmation : le test de vitesse variable

Pour confirmer un balourd, modifiez la vitesse de rotation et observez l'amplitude de 1x. Si la vibration varie avec le carré de la vitesse (doublement de vitesse → quadruplement de la vibration), c'est un balourd. Si la vibration reste constante ou évolue différemment, une autre cause est probable (désalignement, résonance...).

Diagnostic et quantification : les tolérances d'équilibrage

La norme ISO 21940-11:2016 — qui a annulé et remplacé ISO 1940-1:2003, encore très souvent citée — définit les classes de qualité d'équilibrage (G) pour les rotors à comportement rigide. Les valeurs des classes G sont identiques dans les deux textes. Ces classes expriment le produit de l'excentricité résiduelle (e, exprimée en mm) et de la vitesse angulaire (ω, en rad/s) : G = e × ω, en mm/s. Avec une excentricité en microns, il faut donc diviser par 1 000 : e = 32 µm et ω = 78,5 rad/s donnent G = 0,032 × 78,5 = 2,5 mm/s, soit la classe G 2,5.

Classe ISO 21940-11	G (mm/s)	Applications types
G 0,4	0,4	Gyroscopes, rotors de meulage de précision, disques de broche de machines-outils
G 1	1	Turbines à gaz haute vitesse, rotors de compresseurs, arbres de précision
G 2,5	2,5	Moteurs électriques, pompes, ventilateurs industriels généraux. La classe de référence en maintenance.
G 6,3	6,3	Machines agricoles, composants automobiles ordinaires, pièces individuelles
G 16	16	Arbres de transmission, vilebrequins de moteurs multi-cylindres
G 40	40	Vilebrequins montés rigidement, pièces de véhicules tout-terrain

"En maintenance industrielle, la classe G 2,5 est le standard. Un ventilateur équilibré à G 6,3 est acceptable en sortie d'atelier mais va vibrer significativement en service. Un moteur équilibré à G 2,5 devrait avoir un niveau vibratoire très faible à 1x."

Équilibrage sur site (field balancing) : principe et méthode

L'équilibrage sur site (field balancing) permet de corriger un balourd sans démonter le rotor, directement sur la machine en service. Cette technique utilise la mesure vibratoire et un tachymètre (ou capteur de phase) pour déterminer l'emplacement et la masse de la correction à apporter.

Méthode par masse d'essai (trial mass)

Mesure de référence (run 1)

Mesurer l'amplitude et la phase du 1x avec un tachymètre (impulsion une fois par tour). Ces valeurs constituent le vecteur vibratoire initial V₀.

Ajout d'une masse d'essai (run 2)

Ajouter une masse connue M_t à un angle connu θ_t sur le rotor. Remettre en route et mesurer le nouveau vecteur V_t. La différence V_t - V₀ quantifie l'effet de la masse d'essai.

Calcul de la masse de correction

Par calcul vectoriel (ou automatiquement par l'analyseur), déterminer la masse M_c et l'angle θ_c de la correction. M_c est opposée en phase au balourd et de magnitude calculée.

Application et vérification (run 3)

Retirer la masse d'essai et poser la masse de correction. Relancer la machine et vérifier que le 1x a diminué au niveau acceptable (zone A d'ISO 20816-3). Une itération supplémentaire peut être nécessaire.

Quand ne PAS équilibrer sur site

Rotor fissuré ou structure endommagée : l'équilibrage masque la cause sans résoudre le problème.
Défaut de roulement sévère : corriger le balourd ne changera pas l'état du roulement.
Désalignement important : équilibrer une machine désalignée est inutile et peut aggraver les contraintes.
Résonance : si la machine tourne près d'une fréquence propre, l'équilibrage n'aura que peu d'effet.

Dans le prochain chapitre, nous analysons les deux autres grands défauts des machines tournantes : le désalignement (cause n°2 des vibrations excessives) et le jeu mécanique, dont les signatures spectrales sont distinctes du balourd mais souvent confondues entre elles.

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Questions fréquentes

C'est l'écart entre l'axe de rotation d'un rotor et son axe principal d'inertie, dû à une répartition non uniforme de la masse. En rotation, cet écart engendre une force centrifuge tournante qui se traduit par une vibration à la fréquence de rotation.

Par une raie unique et dominante à 1× la fréquence de rotation, avec des harmoniques faibles voire absentes ; une amplitude radiale nettement supérieure à l'amplitude axiale ; une phase stable d'une mesure à l'autre ; et une amplitude qui varie comme le carré de la vitesse de rotation.

Le balourd statique décale le centre de masse sans incliner l'axe d'inertie : il se détecte à l'arrêt et se corrige sur un plan. Le balourd de couple incline l'axe d'inertie sans déplacer le centre de masse : invisible à l'arrêt, il se corrige sur deux plans. Le balourd dynamique combine les deux — c'est le cas réel le plus courant.

C'est une classe de qualité d'équilibrage définie par ISO 21940-11 (qui a remplacé ISO 1940-1). Le nombre correspond au produit de l'excentricité résiduelle par la vitesse angulaire, exprimé en mm/s. G 2,5 est la référence courante pour les machines industrielles ; G 6,3 reste acceptable sur des machines moins sollicitées.

L'encrassement progressif (dépôts sur les pales de ventilateur ou l'impulseur d'une pompe), l'usure ou l'érosion inégale, la perte d'un élément (aube, masselotte, boulon), une réparation ou un remontage sans rééquilibrage, et une déformation thermique du rotor.