Diagnostic des Défauts de Machines Tournantes
Module 3 / 5
3.1 Balourd : Signature Spectrale, Diagnostic et Equilibrage
Le balourd est la cause la plus frequente de vibrations excessives en industrie. Il represente pres de 40% des diagnostics vibratoires. Comprendre ses mecanismes, reconnaitre sa signature spectrale et savoir quand et comment equilibrer sont des competences fondamentales de tout analyste vibratoire.
Definition et origines du balourd
Un rotor est en equilibre parfait quand son axe de rotation coincide exactement avec son axe principal d'inertie. Le balourd (ou desequilibre) est l'ecart entre ces deux axes : une masse excentree par rapport a l'axe de rotation genere une force centrifuge tournante qui se traduit par des vibrations a la frequence de rotation.
La force centrifuge generee par un balourd est proportionnelle au desequilibre de masse et au carre de la vitesse de rotation : F = m × e × ω² (m = masse desequilibree, e = excentricite, ω = vitesse angulaire). C'est pourquoi les vibrations de balourd sont beaucoup plus intenses a haute vitesse qu'a basse vitesse.
Les quatre types de balourd
| Type | Description | Correction | Exemple typique |
|---|---|---|---|
| Statique | Centre de masse decale de l'axe de rotation. Detectable par gravite (rotor penche d'un cote). | Correction en un seul plan | Disque, turbine axiale courte, poulie |
| Couple | Centre de masse sur l'axe mais axe d'inertie incline. Invisible statiquement mais genere des couples vibratoires. | Correction en deux plans (equilibrage dynamique) | Arbres longs, rotors de turbines |
| Dynamique | Combinaison de statique et de couple. Le cas general. | Equilibrage dynamique en deux plans minimum | Rotor de moteur electrique, fan industriel |
| Quasi-statique | Balourd statique et couple en phase (meme plan de correction). | Un plan suffit parfois | Rare, rotors specifiques a symetrie particuliere |
Causes frequentes de balourd en industrie
- Depot de matieres (calcaire, boue, poussiere) sur les pales de ventilateur ou d'impulseur de pompe
- Erosion asymetrique des pales (cavitation, abrasion)
- Piece cassee ou manquante (demi-coupelle, boulon de pale)
- Excentricite d'usinage (arbres, rotors, poulies)
- Jeu excessif dans l'ajustage arbre/moyeu (clavette lache)
- Deformation thermique asymetrique en regime chaud
- Reparation ou soudure ajoutant une masse asymetrique
- Rotor de moteur avec cale de compensation asymetrique
Signature spectrale du balourd : reconnaitre le 1x dominant
Le balourd a une signature spectrale tres caracteristique et reconnaissable : une raie unique et dominante a la frequence de rotation (1x), avec des harmoniques (2x, 3x) faibles voire inexistants. C'est le spectre le plus simple a interpreter en analyse vibratoire.
Signature typique du balourd pur
- Raie 1x tres dominante : souvent 5 a 10 fois superieure aux autres raies
- Raies 2x et 3x faibles : generalement < 10-15% de 1x
- Mesure radiale >> mesure axiale : la force centrifuge est perpendiculaire a l'axe
- Phase stable : la phase du 1x reste constante d'une mesure a l'autre (± 5-10°)
- Amplitude proportionnelle a N² : si la vitesse double, la vibration quadruple
Signaux qui ressemblent au balourd mais n'en sont pas
- Desalignement leger : 1x fort + 2x visible (10-30% de 1x). Phase axiale different de la phase radiale.
- Courbure d'arbre : 1x fort mais phase AXIALE tres differente de 0° ou 180° entre les deux paliers.
- Jeu de palier : 1x fort mais avec sous-harmoniques (0,5x, 0,33x) et harmoniques multiples.
- Resonance : 1x amplifie quand la vitesse de rotation est proche d'une frequence propre de structure.
Critere 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 carre de la vitesse (doublement de vitesse → quadruplement de la vibration), c'est un balourd. Si la vibration reste constante ou evolue differemment, une autre cause est probable (desalignement, resonance...).
Diagnostic et quantification : les tolerances d'equilibrage
La norme ISO 1940-1 definit les classes de qualite d'equilibrage (G) pour les rotors. Ces classes expriment le produit de l'excentricite residuelle (e, en µm) et de la vitesse angulaire (ω, en rad/s) : G = e × ω, en mm/s.
| Classe ISO 1940 | G (mm/s) | Applications types |
|---|---|---|
| G 0,4 | 0,4 | Gyroscopes, rotors de meulage de precision, disques de broche de machines-outils |
| G 1 | 1 | Turbines a gaz haute vitesse, rotors de compresseurs, arbres de precision |
| G 2,5 | 2,5 | Moteurs electriques, pompes, ventilateurs industriels generaux. La classe de reference en maintenance. |
| G 6,3 | 6,3 | Machines agricoles, composants automobiles ordinaires, pieces individuelles |
| G 16 | 16 | Arbres de transmission, vilebrequins de moteurs multi-cylindres |
| G 40 | 40 | Vilebrequins rigidement montes, pieces de vehicules tout-terrain |
"En maintenance industrielle, la classe G 2,5 est le standard. Un ventilateur equilibre a G 6,3 est acceptable en sortie d'atelier mais va vibrer significativement en service. Un moteur equilibre a G 2,5 devrait avoir un niveau vibratoire tres faible a 1x."
Equilibrage sur site (field balancing) : principe et methode
L'equilibrage sur site (field balancing) permet de corriger un balourd sans demonter le rotor, directement sur la machine en service. Cette technique utilise la mesure vibratoire et un tachymetre (ou capteur de phase) pour determiner l'emplacement et la masse de la correction a apporter.
Methode par masse d'essai (trial mass)
Mesurer l'amplitude et la phase du 1x avec un tachymetre (impulsion une fois par tour). Ces valeurs constituent le vecteur vibratoire initial V0.
Ajouter une masse connue Mt a un angle connu θt sur le rotor. Remettre en route et mesurer le nouveau vecteur Vt. La difference Vt - V0 quantifie l'effet de la masse d'essai.
Par calcul vectoriel (ou automatiquement par l'analyseur), determiner la masse Mc et l'angle θc de la correction. Mc est opposee en phase au balourd et de magnitude calculee.
Retirer la masse d'essai et poser la masse de correction. Relancer la machine et verifier que le 1x a diminue au niveau acceptable (zone A ISO 10816). Une iteration supplementaire peut etre necessaire.
Quand ne PAS equilibrer sur site
- Rotor fissuré ou structure endommagee : l'equilibrage masque la cause sans resoudre le probleme.
- Defaut de roulement severe : corriger le balourd ne changera pas l'etat du roulement.
- Desalignement important : equilibrer une machine desalignee est inutile et peut aggraver les contraintes.
- Resonance : si la machine tourne pres d'une frequence propre, l'equilibrage n'aura que peu d'effet.
Dans le prochain chapitre, nous analysons les deux autres grands defauts des machines tournantes : le desalignement (cause n°2 des vibrations excessives) et le jeu mecanique, dont les signatures spectrales sont distinctes du balourd mais souvent confondues entre elles.