RÉSOLUTION DES PROBLÈMES DE VIBRATIONS DE MOTEURS APPROCHE ANALYTIQUE

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1 RÉSOLUTION DES PROBLÈMES DE VIBRATIONS DE MOTEURS APPROCHE ANALYTIQUE Par William R. Finley, Mark M. Hodowanec, Warren G. Holter Industrial Products Div. Siemens Energy & Automation inc. Norwood, OH SOMMAIRE Les problèmes de vibrations des moteurs à induction peuvent s avérer très frustrants et mener à une diminution considérable de fiabilité. L élimination ou la diminution des temps d arrêt dans les processus d opération et de fabrication se veut impérative. Si un problème survient, son origine est rapidement identifiée et un correctif est apporté. Par de bonnes connaissances et des méthodes de diagnostic appropriées, il est normalement possible de mettre rapidement le doigt sur la cause des vibrations. Une mauvaise compréhension des origines du problème aboutit trop souvent à des conclusions erronées. On se retrouve alors à tenter de solutionner un problème mal diagnostiqué, une démarche coûteuse en temps et en argent. En effectuant une bonne cueillette d informations et à l aide de techniques d analyse efficaces, les véritables sources d un problème de vibrations peuvent être identifiées. Un tel problème peut provenir d un des cinq points ci-dessous, sans y être limité : Déséquilibre électrique Déséquilibre mécanique : moteurs, accouplements ou pièces d équipement menées Effets mécaniques : jeu, frottement, roulements, etc. Effets extérieurs : base, équipement entraîné, désalignement, etc. Résonance, vitesses critiques, contact critique, etc. Une fois les interactions mécaniques et électriques comprises, ainsi que l influence qu exercent les composantes externes sur les vibrations qui affectent un moteur, l identification de l élément responsable du problème se voit grandement facilitée. Le présent document propose une approche analytique permettant de mieux comprendre et résoudre rapidement ce type de problème. I. INTRODUCTION Au fil des ans, de nombreux écrits ont été publiés relativement aux vibrations. Entre autres, divers ouvrages et livres ainsi qu une certaine quantité de documents portent spécialement sur les vibrations des moteurs à induction. Il s agit d un sujet en constante évolution, puisqu il progresse au même rythme que les outils et les méthodes d analyse et de diagnostic. Pour cette raison, et parce qu il s agit d un élément important et complexe, connaissances, idées et expériences actuelles et passées doivent être révisées périodiquement. Un problème de vibrations peut survenir à tout moment de l installation ou du fonctionnement d un moteur. Lorsqu il se produit, il s avère essentiel de réagir rapidement pour le résoudre. Dans le cas contraire, on peut s attendre à des dommages à long terme ou immédiats qui peuvent occasionner des arrêts de production. Ces derniers constituent le plus souvent la préoccupation principale. Afin de solutionner un problème de vibrations, on doit faire la différence entre la cause et l effet. Pour ce faire, il faut d abord comprendre la cause originale des vibrations. En d autres termes : d où provient la force? Est-ce que cette force se révèle la cause des degrés élevés de vibrations ou y a t-il une résonance qui amplifie la réponse vibratoire? Les supports de la structure ne sont peut-être pas suffisamment rigides pour minimiser les déplacements. Dans le présent document, nous passerons en revue les diverses sources de forces mécaniques et électriques. En outre, la façon dont les moteurs réagissent à ces forces ou les transmettent ainsi que la manière dont elles peuvent être minimisées ou amplifiées seront également abordées. Lorsqu un problème de vibrations se présente, il est important d utiliser une approche systématique et analytique, en plus d effectuer les tests appropriés. Le processus débute par le dénombrement de toutes les causes possibles propres à la fréquence de vibrations identifiée et de toutes les variations provenant des différentes conditions de service du moteur. Il faut ensuite éliminer une à une les causes improbables du problème jusqu à ce qu il ne reste plus que sa véritable provenance, que l on peut alors régler efficacement. II. SOURCES DE VIBRATIONS Il existe plusieurs forces électriques et mécaniques dans les moteurs à induction susceptibles de provoquer des vibrations. De plus, les interactions entre ces diverses forces rendent parfois insaisissable l identification des origines du problème. Dans les sections qui suivent, les principaux mécanismes seront traités. Afin d obtenir une liste plus complète des vibrations électriques et mécaniques induites, consultez le tableau 1. TN40-1

2 Résolution des problèmes de vibrations de moteurs Fiche technique n o 40 VIBRATIONS À DEUX FOIS LA LIGNE DE FRÉQUENCE Différentes forces et interactions issues de la source d alimentation et diverses interactions entre le rotor et le stator sont présentées dans la figure 1. La source de puissance est une tension sinusoïdale qui varie d un sommet positif à un creux négatif à chaque cycle. Différents problèmes d ordre électrique ou mécanique peuvent causer des vibrations à des fréquences voisines ou identiques. On doit procéder avec attention afin de différencier les véritables sources de vibrations. Une source d alimentation produit une force électromagnétique d attraction entre le stator et le rotor, qui atteint son maximum lorsque le courant négatif ou positif qui traverse le stator est lui aussi à son point culminant à cet instant précis. Il en résulte deux pointes de force pour chaque cycle de tension ou onde de courant, diminuant jusqu à une valeur nulle à un moment où le courant et l onde de flux arrivent à zéro, tel que l indique la figure 2. On obtient une fréquence de vibrations égale à deux fois la fréquence de la source de puissance (vibrations à deux fois la ligne de fréquence). Ces vibrations particulières se veulent extrêmement sensibles à la rectitude de surface des supports du moteur, à la structure ainsi qu à la rigidité de la base, mais aussi à la stabilité de l entrefer, autour de l alésage du stator. Elles subissent également l influence de l excentricité du rotor. Certaines personnes soutiennent à tort que les vibrations à deux fois la ligne de fréquence varient en fonction de la charge. Cette fausse croyance vient de l idée que de telles vibrations proviennent d un champ magnétique produit par le courant circulant dans le bobinage du stator, selon la charge, et créent une force magnétique qui fluctue en raison du carré de la valeur du courant de charge. En réalité, les ampères-tours du stator et du rotor tendent à s équilibrer, à l exception des ampères-tours d excitation. Pour ceux qui ne sont pas familiers avec la théorie des moteurs électriques, les ampères-tours d excitation sont créés par le courant hors charge du moteur. Ce dernier développe dans le moteur le champ magnétique nécessaire à produire un champ électromagnétique égal en intensité à la tension appliquée. Lorsque la charge est appliquée au moteur, les courants du stator et du rotor augmentent simultanément en s équilibrant. Il n y a donc plus de variation importante de flux. Ce qui signifie que les forces magnétiques de base sont indépendantes du courant de charge, en plus de se révéler à peu près semblables à pleine charge à celles que l on obtient sans charge. Par contre, la composante principale des vibrations à deux fois la ligne de fréquence se trouve créée par une attraction magnétique occasionnée par un entrefer asymétrique. Elle ne varie pas en fonction de la charge. Dans les moteurs bipolaires, le degré de vibrations à deux fois la ligne de fréquence semblera modulé avec le temps de par son lien étroit avec les vibrations de rotation à deux temps. Les problèmes rencontrés dans un moteur, comme l usure, le jeu excessif entre les pièces, la courbure de l arbre ou une portée d arbre elliptique peuvent causer des vibrations de deux fois la fréquence de rotation. En raison de la similitude avec les vibrations à deux fois la ligne de fréquence, les deux niveaux s additionneront lorsqu ils seront en phase et se soustrairont lorsqu ils seront déphasés, et ainsi de suite. Cette modulation se répètera à une fréquence de deux fois celle du glissement du moteur 2 pôles. Même en l absence de charge, les vibrations à deux fois la ligne de fréquence des moteurs bipolaires varieront de cpm (120 Hz) en raison du glissement. Puisqu il y a glissement dans les moteurs à induction, même à faible intensité en l absence de charge, il peut s écouler entre 5 et 15 minutes pour un décalage d une rotation complète. Pour ceux qui ne sont pas familiers avec le terme glissement, il existe un champ de rotation autour du stator avec lequel le rotor tente de rester en phase, mais ce dernier accusera un retard par rapport au champ du stator d un certain nombre de rotations par minute, selon la charge appliquée. Plus la charge est élevée, plus le glissement sera important. La valeur du glissement représente 1 % de la vitesse prescrite à pleine charge et diminue jusqu à 0 à charge nulle. Puisque les degrés de vibrations ne sont pas constants, il est nécessaire d effectuer un test de modulation afin de pouvoir prendre plusieurs mesures de vibrations. Dans un test de modulation, on permet au moteur de fonctionner pendant une période de 10 ou 15 minutes. Les vibrations sont alors enregistrées de façon continue pour déterminer les maximums et les minimums. STATOR ELLIPTIQUE CAUSÉ PAR LE FLUX FONDAMENTAL Comme on peut le constater à la figure 3, dans les moteurs bipolaires, la force électromécanique aura tendance à déformer le stator de façon à lui donner une forme elliptique. Les premières causes de résistance au mouvement proviennent de la solidité du noyau ferromagnétique et de la rigidité de l enveloppe autour du noyau du stator. Dans les moteurs 4-pôles, la distance entre les nodules n est que de 45 degrés mécaniques, soit la moitié de ce que l on observe dans les moteurs 2-pôles, ce qui rend le stator TN40-2

3 Fiche technique n o 40 Résolution des problèmes de vibrations de moteurs 4-pôles beaucoup plus résistant au mouvement pour provoquer ainsi des vibrations à deux fois la ligne de fréquence, cette dernière étant beaucoup plus faible. Les calculs effectués sur un moteur bipolaire de HP type à 60 Hz indiquent des vibrations de pointe de 120 Hz au diamètre extérieur du noyau du stator d environ 0,12 po/s (3 mm/s), tandis que les valeurs pour un moteur 4-pôles de même taille sont de seulement 0,02 à 0,03 po/s (0,5 à 0,8 mm/s), soit entre le sixième et le quart de cette valeur. Les vibrations à deux fois la ligne de fréquence se trouvent donc transmises de la structure du moteur aux fixations du palier où elles diminuent progressivement en amplitude. ENTREFER ASYMÉTRIQUE Les degrés de vibrations à deux fois la ligne de fréquence peuvent augmenter de façon considérable lorsque le film d air entre le stator et le rotor n est pas symétrique, tel que le montre la figure 4. Cette condition particulière provient d une force plus grande dans la direction du plus petit entrefer. En effet, une attraction magnétique existe dans la direction où l entrefer est au minimum. Force B2/d (1) B = densité de flux d = épaisseur de l entrefer Non seulement le stator est entraîné dans une direction, mais le rotor est attiré dans le sens opposé, vers la partie de l entrefer qui présente la plus petite épaisseur. Il en découle une vibration de l arbre plus grande, au détriment de la durée de vie utile des paliers. Notons qu à la figure 4, le diamètre extérieur du rotor est concentrique à l axe de rotation, ce qui permet à la force de demeurer à son maximum dans la direction de l entrefer minimal. VIBRATIONS À UNE FOIS LA LIGNE DE FRÉQUENCE Même si elles ne se révèlent pas aussi importantes que les vibrations à deux fois la ligne de fréquence, les vibrations à une fois la ligne de fréquence existent également. Une attraction magnétique peut entraîner des vibrations à la ligne de fréquence (une fois) de même que les vibrations à deux fois la ligne de fréquence. Si le rotor ou le stator bouge d un côté à l autre, le point où l entrefer est au minimum peut aussi se déplacer de la même façon à l intérieur du moteur. Lorsque la fréquence de ce mouvement correspond à celle de l onde de flux, l attraction magnétique se déplacera avec l entrefer minimal, occasionnant ainsi des vibrations à la ligne de fréquence. Ces dernières s avèrent généralement très faibles ou inexistantes, mais si le stator ou le rotor possède une fréquence de résonance semblable à la ligne de fréquence, les vibrations produites peuvent se faire importantes. VIBRATIONS À UNE FOIS LA LIGNE DE FRÉQUENCE EXCENTRICITÉ ÉLECTRIQUE DU ROTOR Un rotor excentrique, dont le diamètre extérieur du noyau n est pas concentrique à l axe du palier, crée un point d entrefer minimal qui tourne avec le rotor à une fois la fréquence de rotation. Associée à ce phénomène, il y aura une force magnétique résultante au point de l entrefer minimal, puisque la force qui agit en ce point est plus grande que la force au point de l entrefer maximal, comme le montre la figure 5. Cette force résultante tournera à la fréquence de rotation, avec l entrefer minimal, provoquant des vibrations à une fois la ligne de fréquence. Le flux qui cause la force magnétique est l onde de flux fondamentale qui tourne autour du stator à la vitesse du moteur de manière synchronisée. Le rotor tend à suivre l onde de rotation du stator, mais il glisse derrière le champ du stator au moment de développer le couple nécessaire. Lorsque le point de l entrefer maximal du rotor s aligne avec le point maximal du flux du stator, la force atteint son maximum et diminue ensuite progressivement pour se retrouver légèrement sous le point de flux minimal. Ainsi se crée une force de déséquilibre qui tourne à la vitesse de rotation et change en intensité suivant le glissement. Il en découle finalement une vitesse de rotation dont l amplitude module avec le glissement. Cette condition se produit avec ou sans charge. Sans charge, la fréquence se rapproche de la vitesse synchrone et peut avoir une période de modulation de 5 à 15 minutes. À pleine charge, la fréquence de modulation en cpm sera égale au glissement en tr/min multiplié par le nombre de pôles. Le glissement est égal à la vitesse synchrone moins la vitesse à pleine charge, généralement 1 % du nombre de révolutions prescrit. Par exemple, un moteur bipolaire dont la vitesse à pleine charge est de tr/min à 60 Hz présentera un glissement de = 36 cycles par minute (glissement de 1 %) avec une fréquence de modulation de 2 x 36 = 72 cycles par minute. TN40-3

4 Résolution des problèmes de vibrations de moteurs Fiche technique n o 40 BARRE DE ROTOR BRISÉE S il existe un bris dans une barre du rotor ou un joint de soudure ouvert, aucun courant ne pourra circuler dans la barre, tel qu illustré à la figure 6. Il n y aura donc pas de champ dans le rotor autour de cette barre. Donc, la force appliquée sur ce côté du rotor sera différente de celle qui existe sur l autre côté, créant encore une fois une force magnétique qui tourne à la vitesse de rotation et qui module à une fréquence égale à celle du glissement multipliée par le nombre de pôles. Si l une des barres du rotor possède une résistance différente, un phénomène semblable peut se manifester (comme dans le cas d une barre de rotor brisée). Soulignons qu il s agit d une condition qui ne peut pas se retrouver à charge nulle. Il y a toutefois un phénomène semblable lié à cette condition que l on peut observer en l absence de charge après que le moteur ait atteint sa température de fonctionnement à l aide de n importe quelle méthode permettant de générer un courant dans le rotor. Ces méthodes comprennent un test à pleine charge couplé, surchauffe sur deux fréquences, accélérations multiples ou surchauffe par verrouillage du rotor et application de tension. De plus, des barres de rotor brisées ou une fluctuation de la résistance des barres entraîneront une variation de chaleur autour du rotor. Le cas échéant, il pourra se produire un fléchissement du rotor qui créera une excentricité et causera un déséquilibre du rotor et une plus grande attraction magnétique, entraînant à son tour une fréquence élevée et quelques légères vibrations à deux fois la ligne de fréquence. VIBRATIONS À LA FRÉQUENCE DE PASSAGE DES BARRES DE ROTOR Une haute fréquence de vibrations magnétiques, liée à la charge et semblable à la fréquence de passage des encoches du rotor, s exerce dans le stator lorsque le courant est induit dans les barres du rotor sous l application de la charge. L intensité de cette vibration varie proportionnellement à la charge. Le courant électrique dans les barres crée un champ magnétique autour des barres qui produit une force d attraction sur les dents du stator. Ces forces radiales et tangentielles qui s appliquent sur les dents du stator, tel que montré à la figure 7, provoquent des vibrations du noyau et des dents du stator. La fréquence de cette source de vibrations est beaucoup plus forte que les fréquences normalement mesurées durant des tests de vibrations. Dû à ces fréquences extrêmement élevées, même de très faibles déplacements peuvent entraîner des vitesses élevées si la plage de fréquences durant le test comprend cette gamme de fréquences. Même si des fréquences semblables peuvent se retrouver sur la structure du moteur et sur le corps de palier, on ne constatera pas de degrés de vibrations dommageables à de si hautes fréquences entre l arbre et le corps du palier. Pour cette raison, les spécifications concernant les vibrations ne mentionnent pas ce niveau de fréquences. Puisque les vibrations à la fréquence de passage des barres du rotor se produisent à haute fréquence, la vélocité des vibrations peut devenir significative, mais son effet sur la fiabilité du moteur s avère négligeable. En tenant compte de la contrainte subie par le moteur en réaction à ces vibrations, on en arrive à ce raisonnement. Par exemple, un moteur bipolaire affichant des vibrations à Hz (occasionnées par la fréquence de passage des barres du rotor plus une fréquence latérale de 120 Hz) donnerait le calcul suivant : Vitesse po/s (mm/s) 0,1 (2,54) 0,5 (12,7) Déplacement mils (mm) 0,011 (0,0003) 0,057 (0,0014) Contrainte dans le noyau du stator psi (kg/cm2) 30 (2,11) 150 (10,55) Contrainte dans les dents du stator psi (kg/cm2) 50 (3,52) 250 (17,58) La résistance normale à la fatigue du noyau est de psi (1 055 kg/cm2). Des niveaux semblables de basses contraintes peuvent être calculés pour toutes les pièces du moteur (incluant les enroulements du stator). De plus, l épaisseur minimale normale du film d huile se situe entre 1,0 et 1,5 mils (0,03 mm à 0,04 mm). Tel que mentionné précédemment, puisqu un faible déplacement variant entre 0,011 et 0,057 mils (0,0003 à 0,0014 mm) peut être observé, ces vibrations n auront pas d effets indésirables sur les performances du palier. TN40-4

5 Fiche technique n o 40 Résolution des problèmes de vibrations de moteurs Les fréquences latérales et les encoches de rotor se situent dans une échelle de fréquence normalement associée aux bruits plutôt qu aux performances en vibration, et sont prises en compte lors de la conception du moteur relativement au contrôle du bruit. En fait, ces éléments de force constituent la principale source de bruit à hautes fréquences dans les machines électriques, soumises depuis longtemps aux mesures de contrôle et de limitation du bruit. L expérience a démontré que lorsque le bruit se situait à l intérieur de la gamme normale ou même élevée, aucun dommage de structure n avait été décelé. L influence de ces vibrations à hautes fréquences est faussée par la prise de mesures de vitesse et par l application des limites basée sur l expérience acquise avec les vibrations à hautes fréquences. FRÉQUENCES DES FORCES MAGNÉTIQUES RELATIVES À LA CHARGE ET GÉOMÉTRIE DU DÉPLACEMENT Les fréquences des forces magnétiques en relation avec la charge appliquée aux dents et au noyau du stator sont égales à l addition de la fréquence de passage des barres du rotor et des fréquences latérales à + ou - 2f, 4f, 6f et 8f Hz, où f correspond à la ligne de fréquence. Une force magnétique est générée à la fréquence de passage des encoches du rotor (FQR), soit la vitesse du moteur en révolutions/seconde multipliée par le nombre d encoches du rotor, comme montré en (2) : FQR = tr/min x Nr/60 Hz (2) Nr = Nombre d encoches du rotor Pour un moteur bipolaire typique à tr/min avec 45 encoches, suivant l exemple ci-dessus, FQR = Hz. BARRE DE ROTOR ET FORCE RÉSULTANTE SUR LES DENTS DU STATOR Les fréquences latérales se forment lorsque l amplitude de cette force est modulée à deux fois la fréquence de la source d alimentation. Dans le cas d un système à 60 Hz, une modulation à 120 Hz produit les fréquences latérales, donnant des fréquences d excitation de FQR, FQR + 120, FQR - 120, FQR + 240, FQR Hz, etc. Les forces appliquées sur les dents du stator ne sont pas distribuées également sur chacune des dents pour des temps donnés; elles sont appliquées sur les dents à des magnitudes différentes, selon la position qu elles occupent sur le système rotor-stator. Il en résulte des ondes de force tout le long de la circonférence du stator. La géométrie de déplacement résultant de ces forces magnétiques est le résultat de la différence entre le nombre d encoches du rotor et celui du stator, comme montré en (3) : M = (Ns Nr) +/- KP (3) Ns = Nombre d encoches du stator Nr = Nombre d encoches du rotor P = Nombre de pôles K = Suite de nombres entiers 0,1, 2, 3, etc. GÉOMÉTRIE DE DÉPLACEMENT ET FRÉQUENCES VIBRATOIRES NORMALES DU NOYAU Sous l application des forces magnétiques, le noyau du stator entre en vibration de la même manière qu une bague d acier qu on frapperait contre une table. Suivant les fréquences et le comportement de la force d excitation, tels que décrits ci-dessus, le stator vibrerait suivant l une ou l autre de ses géométries de déplacement (m), tel qu illustré à la figure 8. Chacune des géométries possède sa propre fréquence naturelle. Le noyau peut d une certaine façon être influencé par la structure du stator, mais au moment de l analyse, il s agit d un facteur négligeable pour sa complexité et parce que ses effets sur les hautes fréquences se font minimes. Afin de mieux comprendre la fréquence de résonance du noyau pour un mode vibratoire donné, disons que le noyau peut être représenté par une poutre, supportée simplement à ses deux extrémités et qui fléchit sous l effet des forces appliquées. La longueur de la poutre est égale à la circonférence du diamètre normal (moyen) du noyau du stator pour une demi-longueur d onde de force (voir la figure 9) [8] : L = Ds (4) 2M TN40-5

6 Résolution des problèmes de vibrations de moteurs Fiche technique n o 40 à pleine charge. Dans le cas d un moteur bipolaire, on a donc un nombre de deux pôles multiplié par 36 tr/min (glissement normal) ou 72 cycles par minute. Afin de faciliter la compréhension du phénomène, prenons un point ou une barre sur le rotor d un moteur 2-pôles et que ce point tourne à une vitesse de tr/min Il se forme un champ à basse fréquence autour de cette barre. Ce champ applique une force d intensité variable au stator en fonction du niveau de flux dans le rotor à ce moment précis. Le flux provoque une pulsation chaque fois qu il passe près d une encoche du stator. Notons que la force rencontrée par le rotor est au niveau de la fréquence de passage des encoches du stator et module au double du glissement. Ceci produit une vibration des barres du rotor à la fréquence de passage des encoches du stator plus et moins les fréquences latérales en multiples de (glissement) x (pôles). Si la fréquence de résonance du noyau se rapproche de celle de la force, un degré de vibrations élevé se produira. Les modes vibratoires faibles peuvent engendrer des fréquences de résonance voisines de la fréquence de force. La fréquence de résonance des dents du stator doit également être prise en considération. Les forces tangentielles appliquées sur les dents peuvent provoquer des conditions de résonance. La dent est en fait une poutre en porte-à-faux supportée à sa base par le noyau. La fréquence de résonance de la poutre est fonction de la longueur et de la largeur de la poutre. Une poutre plus longue et plus étroite produira une fréquence de résonance plus basse. La force appliquée sur chaque dent entraîne un déplacement de la dent et du noyau. Ce déplacement sera de plus grande amplitude lorsque la fréquence de la force s approche de la fréquence de résonance de la dent ou du noyau (5) : Facteur d amplification = 1 (5) 1 - (f / f0 ) 2 f = ligne de fréquence fo = fréquence normale Cette vibration se voit parfois incorrectement associée à des jeux excessifs des barres du rotor, mais il existe des raisons pour expliquer le fait que le jeu des barres de rotor ne génère pas de vibration de passage des encoches du rotor. Premièrement, dans les plus gros moteurs, la force centrifuge est telle que la seule façon d observer un mouvement dans les barres de rotor est lors de la phase d accélération. Il s agit d un problème sérieux, puisque la cause principale de rupture des connexions des barres provient du mouvement provoqué à la suite de démarrages successifs d une masse à inertie élevée. La seule augmentation en vibration occasionnée par un jeu excessif des barres de rotor serait due à un déplacement de la cage du rotor entraînant alors un débalancement mécanique à 1 temps. Deuxièmement, si on examine une barre de rotor, on remarque que la barre n est jamais soumise à une force au point de passage d une encoche du rotor. Les barres tournent à une certaine vitesse de rotation. Il existe un champ de rotation alternatif dans le rotor dont la fréquence se rapproche de 0 cycles par minute en l absence de charge, et qui augmente ensuite à une fréquence égale à la fréquence de glissement multipliée par le nombre de pôles VIBRATION DE ROTATION À UN TEMPS DÉSÉQUILIBRE DU MOTEUR L équilibrage est nécessaire pour tous les types de machineries rotatives, incluant les moteurs, afin d obtenir un bon fonctionnement. Cette opération est réalisée en usine à l aide d un niveau de précision déterminé par la vitesse du moteur, sa taille et les requis de vibrations. Les moteurs bipolaires commandent une très grande précision. Les moteurs 2-pôles et 4-pôles doivent être équilibrés à leurs vitesses de fonctionnement. Les moteurs assemblés sont soumis à un test de fonctionnement qui permet de s assurer que les exigences relatives aux vibrations ont été respectées. Même si l utilisateur n est pas directement concerné, certains facteurs d importance qui affectent l équilibrage en usine doivent être abordés. Ils s appliquent principalement aux moteurs 2-pôles. La plupart des moteurs moyens ou gros sont utilisés pour des applications à vitesse constante, quoiqu on ait récemment observé une augmentation du nombre et de la taille des moteurs utilisés à des vitesses variables. Les moteurs à vitesses constantes peuvent être équilibrés sur une seule vitesse, soit leur vitesse de service. Les applications à vitesses variables demandent qu un bon équilibrage du rotor soit maintenu pour toute la gamme des vitesses de fonctionnement, soit entre 40 et 100 % de la vitesse synchrone. L équilibrage du rotor implique la structure complète du moteur, construite à partir d une multitude de pièces, y compris l arbre, les laminations du rotor, les têtes d enroulement, les barres du rotor, les raccords d extrémités, les bagues de retenue (au besoin) et les ventilateurs. La conception et la fabrication de tous ces éléments doivent être contrôlées afin d obtenir un équilibre précis. Les éléments fondamentaux d un équilibrage de précision sur tout type d appareil sont les suivants : Les pièces doivent être fabriquées avec précision de manière à obtenir des concentricités serrées et un minimum de déséquilibre. Un jeu excessif entre les pièces, pouvant être le résultat de déplacements pendant le fonctionnement et occasionnant un changement dans l équilibrage, doit être évité ou minimisé. Des contrepoids pour corriger l équilibre doivent être ajoutés au point de déséquilibre ou très près. Pour les moteurs, le perçage du rotor doit être réalisé avec précision, des concentricités serrées et un réglage de l arbre qui soit maintenu pour toutes les vitesses de service TN40-6

7 Fiche technique n o 40 Résolution des problèmes de vibrations de moteurs du moteur et toutes les températures de fonctionnement. Les perforations s effectuent à travers l empilage aligné selon l alésage, pressé uniformément et fixé en position lors de l ajustement avec l arbre afin de prévenir tout mouvement à la suite de changements de vitesses. Lorsque les raccords d extrémités requièrent des bagues de retenue, ces dernières doivent être faites d un matériau à haute résistance et dotées des dimensions appropriées. Les barres de rotor sont calées ou estampillées pour s ajuster parfaitement dans les encoches. Il existe d autres méthodes qui permettent de produire des barres de rotor serrées, tel que le réchauffement du noyau et le refroidissement des barres, mais ces méthodes sont rarement utilisées. Les raccords d extrémités doivent être soudés symétriquement par induction aux barres de façon à éliminer les variations d équilibre occasionnées par les fluctuations thermiques. L arbre et l assemblage du rotor sont usinés avec précision et ajustés à des concentricités en deçà de 0,001 pouce (0,03 mm). Le rotor est pré-équilibré sans les ventilateurs. Les ventilateurs sont équilibrés individuellement avant d être assemblés sur le rotor. Ils sont ensuite installés en vue de leur équilibrage final sur le rotor. Pour les moteurs équipés de lourds ventilateurs extérieurs, un équilibrage des ventilateurs sur deux plans peut se révéler nécessaire. Les applications à vitesse constante ne requièrent généralement pas plus qu un arbre rigide pour les petites machines ou encore un arbre flexible pour les moteurs plus volumineux. Un arbre rigide fonctionne sous sa vitesse latérale critique, tandis qu un arbre flexible tourne au-dessus de la première vitesse latérale critique [12]. Quand le rotor est conçu avec précision et fabriqué tel que décrit plus haut, un équilibrage sur deux plans, en faisant les corrections de poids sur les extrémités du rotor, sera généralement suffisant même pour les rotors flexibles. Cependant, il est possible qu à l occasion un rotor flexible puisse nécessiter un équilibrage sur trois plans afin de limiter les vibrations lorsque le moteur atteint sa vitesse critique durant la phase préparatoire ou durant un ralentissement. Cette étape est réalisée avec des corrections de poids sur le plan central du rotor et aussi aux deux extrémités. Les applications à vitesses ajustables requièrent un arbre rigide pour empêcher les changements importants d équilibrage en fonction de la vitesse et dus au fléchissement de l arbre, tel qu on peut l observer avec un arbre flexible. De plus, la multitude d autres facteurs qui affectent l équilibrage de cette structure complexe, tel que discuté précédemment, doit aussi être contrôlée afin de conserver un bon équilibrage pour une large gamme de vitesses. Tout particulièrement, le moindre écart de jeu sur une barre pourra entraîner une variation excessive de l équilibrage à mesure qu augmente la vitesse. On peut prévenir cette situation en ajoutant des cales aux barres du rotor ou par estampillage. Des cales autour des barres permettent aux barres d être insérées fermement dans les encoches sans avoir peur de créer un jeu excessif entre les barres. Cette méthode empêche aussi les barres de bouger advenant le cas où les barres ne subiraient pas de phases de contraction et d expansion, durant les périodes de réchauffement et de refroidissement, au même rythme que le noyau. Lors de l équilibrage et du test sans charge en usine, la clavette de la rallonge de l arbre est complètement remplie avec une demi clavette maintenue en place par un manchon afin d empêcher tout débalancement. Le test à charge est réalisé avec le moteur monté sur une base rigide et massive, alignée avec précision à l aide d un dynamomètre joint à un accouplement balancé et une clavette appropriée. DÉSÉQUILIBRE THERMIQUE Le déséquilibre thermique est une forme particulière de déséquilibrage. Il est causé par une surchauffe inégale du rotor ou une déformation due à la surchauffe. Il est nécessaire de déterminer l origine de cette surchauffe inégale qui affecte la rectitude de l arbre et bloque le rotor. Avant d entreprendre une telle réparation, la gravité du problème thermique doit d abord être constatée. Tous les rotors subissent des variations de vibrations lorsqu ils passent du froid au chaud. La spécification API 541, 3 e édition, recommande une vibration de 0,6 mils (0,02 mm) (à la fréquence de rotation 1X) et de 0,05 in/s (1,27 mm/s) pour le boîtier. Cependant, s il s agit d un usage continu et que les degrés de vibrations ne sont pas excessifs au démarrage (soit quand le moteur est froid), il est convenable de permettre une variation plus grande du froid au chaud sans endommager le moteur. Dans ces situations, si on désire maintenir un bas niveau de vibrations en fonctionnement normal, une procédure d équilibrage à chaud peut être utilisée. Pour réaliser cette procédure, il s agit de faire fonctionner le moteur jusqu à ce qu il soit thermiquement stable et de rapidement procéder à l équilibrage. Au besoin, faire fonctionner le moteur encore une fois après l installation des charges d essai, puis laisser le moteur se stabiliser thermiquement avant de reprendre les mesures de vibration pour les corrections de poids finales. DÉSÉQUILIBRE DE L ACCOUPLEMENT Les limites accordées au déséquilibre de l accouplement dans la spécification API 671 de 40W/N, lorsque appliquées à un moteur 2-pôles typique de hp rpm par exemple, donnent des valeurs égales au tiers des limites de déséquilibre du moteur sur une extrémité. L analyse montre qu il s agit d une valeur acceptable pour obtenir une vibration minimale sur le moteur. En la comparant à la limite de déséquilibre d accouplement de AGMA, utilisée couramment dans l industrie, on voit qu elle se compare à un équilibrage Classe 11, qui requiert un accouplement équilibré. C est beaucoup mieux qu une Classe 9 (par un facteur de 3), qui n est pas un accouplement équilibré. Les accouplements équilibrés AGMA de Classe 9 sont parfois utilisés dans les moteurs 2- pôles, mais ils ne satisfont pas à la norme API 671 et peuvent occasionner des problèmes de vibrations dans les moteurs de précision. L utilisation d une clavette appropriée et d accouplements équilibrés permet de considérer l alignement et le montage de la machine ainsi que l équilibrage des pièces d entraînement comme les seuls facteurs d influence quant aux vibrations des systèmes. ACCOUPLEMENTS SURDIMENSIONNÉS Un élément qui mérite une attention particulière au moment de choisir des accouplements est la taille de ceuxci. L accouplement doit être suffisamment volumineux pour répondre aux besoins de l application, sans être au contraire trop gros. Les conséquences d un accouplement surdimensionné sont les suivantes : TN40-7

8 Résolution des problèmes de vibrations de moteurs Fiche technique n o 40 Augmentation des vibrations du moteur due au plus grand déséquilibrage de l accouplement et/ou un changement de la vitesse critique ou de la réaction du rotor avec l augmentation du poids (surtout dans le cas des machines équipées d arbres flexibles). Un accouplement largement surdimensionné peut provoquer des fléchissements importants de l arbre, des vibrations excessives et un frottement des joints d étanchéité entraînant finalement un bris d arbre catastrophique. La principale fréquence de vibration provenant d un accouplement surdimensionné correspond à une rotation à 1 temps, tout comme pour un déséquilibrage. FORCER LA RÉPONSE EN FRÉQUENCE BASE DE MOTEUR FAIBLE Si le moteur repose sur une base d acier fabriquée, telle qu une base coulissante, alors il existe une possibilité que les vibrations mesurées sur le moteur soient provoquées par les vibrations de la base elle-même. Idéalement, la base devrait être suffisamment rigide pour rencontrer les critères «Massive Foundation» définis par la norme API 541 [1]. DÉSÉQUILIBRE DE LA MACHINE ENTRAÎNÉE Dans des circonstances normales, le déséquilibre d une pièce d équipement menée n affectera pas de façon significative les vibrations du moteur. Par contre, s il s agit d un déséquilibre important ou si un accouplement rigide est utilisé, le déséquilibre de l appareil entraîné peut alors se transmettre au moteur. CONSERVER L ÉQUILIBRE SUR LE SITE D EXPLOITATION Lorsqu un moteur à haute vitesse équilibré avec précision se voit installé sur un site d exploitation, son équilibre doit être maintenu jusqu à ce qu il soit uniforme au reste du système. En plus d un accouplement équilibré, une clavette appropriée doit être utilisée. Une façon d y arriver est de remplir complètement le clavetage de l arbre à l aide d une clavette passant à travers le moyeu de l accouplement et ensuite comblée afin de correspondre au diamètre de l arbre. Une deuxième approche consiste à utiliser une clavette rectangulaire dont la longueur soit telle que la partie qui dépasse le moyeu de l accouplement puisse contrebalancer le déséquilibre correspondant à la partie vide restante du clavetage. Cette longueur peut être calculée si la longueur du moyeu de l accouplement et les dimensions du clavetage sont connues. Une clavette de mauvaise dimension peut provoquer un déséquilibrage important du système causant ainsi une vibration qui va audelà des limites acceptables. Par exemple, les calculs pour un moteur 2-pôles typique de HP tr/min montrent qu une erreur dans la longueur de la clavette de 0,125 pouce (3,175 mm) provoquera un déséquilibre de 0,7 oz-po (50 g-cm.). Ce qui est à peu près égal à la limite de déséquilibre résiduel de 4W/N accordée pour chaque extrémité du rotor, selon la norme API 541, mais qui excède par un facteur de 3 la tolérance de déséquilibre résiduel de 40W/N pour demi-accouplement type, tel que le prescrit la norme API 671. Un problème survient à l occasion sur le site d exploitation lorsqu un moteur à arbre flexible, présentant un équilibre à haute vitesse, est envoyé à un centre de service pour être réparé. Si le rotor est de nouveau équilibré à l aide d une machine à basse vitesse, il en résultera une vitesse de service déséquilibrée et le moteur fonctionnera rudement lorsque testée ou réinstallée. Bien sûr, la solution consiste à ne pas le rééquilibrer, à moins que la nature de la réparation l exige. Si un rééquilibrage est absolument nécessaire, il doit être réalisé à la vitesse de fonctionnement du rotor; sinon, un réglage de l équilibre devra être effectué après le réassemblage du moteur. Essentiellement, cela implique que les vibrations sur les supports près des ancrages du moteur correspondent à moins de 30 % des vibrations mesurées sur les paliers. Afin de tester le niveau de faiblesse d une base, mesurer et tracer les vibrations horizontales au niveau du sol, au bas, au milieu et au-dessus de la base, ainsi que sur les paliers du moteur. Une fois dessiné, ce renseignement ressemblerait à l illustration de la figure 11, pour un moteur reposant sur une base faible. Dans cet exemple, si le moteur avait été installé sur une base rigide, les vibrations sur les paliers auraient été proches de 0,25 mils (0,006 mm) plutôt que de 2,5 mils (0,064 mm). Une base de moteur faible entraîne habituellement des vibrations 1X à l horizontal tel que montré à la figure 11. Elle peut aussi provoquer des vibrations 2X (deux fois la fréquence de rotation) ou 2f (deux fois la ligne de fréquence), qui sont également communes parmi les fréquences de vibrations des moteurs. Afin de déterminer la nature et l origine de ces vibrations 2X, il faut prendre des mesures de vibrations sur les ancrages du moteur, horizontalement et verticalement, et noter les phases ainsi que les amplitudes de façon à mieux comprendre la géométrie du mode vibratoire. Un mode de type «balancier» est observé dans le cas illustré à la figure 12. La composante horizontale HV provenant du balancement s ajoute à la composante HM propre au moteur pour donner une composante totale agissant sur le corps du palier, comme montré ici (6) : H = HM + HV (6) H = vibration horizontale actuelle du moteur mesurée sur le site HM = vibration horizontale du moteur seul mesurée sur une base massive en usine TN40-8

9 Fiche technique n o 40 Résolution des problèmes de vibrations de moteurs HV = (D/E)VB, composante de vibration horizontale due à VB, une vibration verticale mesurée sur chacun des ancrages du moteur sur le site. Le type de réparation recommandé pour le moteur sur base faible illustré consiste à attacher ensemble les poteaux des supports de façon très rigide afin de pouvoir répondre aux critères qui s appliquent à une «Massive Foundation». Même lorsque la résonance de la base ne constitue pas un facteur important, la solidification des supports trop faibles d une structure peut grandement réduire les vibrations. FACTEUR CONTACT CRITIQUE La fréquence critique de contact ou fréquence «reed» (fréquence naturelle verticale) d un moteur est fonction de sa masse, de sa répartition de poids et de la géométrie de sa base. La fréquence «reed» critique ne doit pas être confondue avec la vitesse critique latérale du rotor. Toutefois, dans les très gros moteurs, la vitesse latérale critique du rotor peut s avérer être un facteur déterminant pour la fréquence critique de contact, particulièrement dans le cas d un moteur seul. Son effet sur le moteur peut être déterminé en le considérant comme une masse séparée et en incluant la flexibilité de l arbre du rotor dans le calcul de la fréquence «reed». Ceci dit, considérer le moteur comme deux masses distinctes d un système à deux degrés de liberté comme illustré à la figure 13, plutôt que comme un système à un seul degré de liberté tel que le décrit la norme NEMA MG , La figure 13 montre que la structure du moteur (a) est simplement un système comprenant deux masses pouvant être graduellement simplifié, d abord comme une structure schématique poutremasse (b), ensuite comme l équivalent d un système de deux masses et de deux ressorts (c). Comme la vitesse latérale critique du rotor est inférieure à la fréquence de contact calculée comme un système à un seul degré de liberté, la véritable fréquence «reed» sera inférieure à la valeur calculée. Elle sera à peu près égale à la vitesse latérale critique du rotor. Cependant, lorsque monté sur une base flexible sur le site d exploitation, l effet de l arbre du rotor sera moindre et un calcul ne tenant compte que d un seul degré de liberté est suffisant. Comme dans le cas d une latérale critique, si la vitesse d opération du moteur (ou toute autre fréquence où un élément aggravant est présent) correspond à la fréquence «reed» critique, une importante magnification dans l amplitude des vibrations se produira. Les fabricants de moteurs émettent couramment des données au sujet du contact critique. Ceci inclut la fréquence «reed» critique que le moteur seul posséderait s il avait été monté sur une masse rigide sismique. Les fabricants fournissent également l information suivante afin d aider à déterminer la fréquence de résonance du système avec un moteur monté sur la base de l utilisateur : poids de la machine, position du centre de gravité et déflexion statique. Les bases que l on retrouve dans les installations typiques ne sont pas aussi rigides et, de ce fait, la fréquence critique «reed» sera inférieure. Si cette dernière est abaissée à une fréquence à laquelle se trouve un élément aggravant (habituellement la vitesse d opération), on doit forcément la modifier. Généralement, on y arrive en changeant soit la rigidité de la base, soit le poids de la base/moteur. Lorsque la fréquence «reed» critique descend à environ 40 à 50 % de la vitesse de fonctionnement, il en résulte une vibration subharmonique à la vitesse de résonance du système dans les moteurs équipés de paliers à coussinets. Ce phénomène peut être dû à un effet saisissant de l huile ou bien à un film d huile inadéquat dans le palier. BASE RÉSONANTE Si la vitesse d opération du moteur (ou toute autre fréquence où un élément aggravant est présent) correspond à la fréquence de résonance de la base, une importante magnification dans l amplitude des vibrations se produira. TN40-9

10 Résolution des problèmes de vibrations de moteurs Fiche technique n o 40 La seule façon de résoudre le problème est de modifier la fréquence de résonance de la base. Généralement, on y arrive en changeant soit la rigidité de la base, soit le poids de la base/moteur. VIBRATIONS ASSOCIÉES AUX PALIERS Les vibrations reliées aux paliers sont communes à tous les types d équipements rotatifs, y compris les moteurs. Elles seront abordées brièvement ici. Les machines équipées de paliers à coussinets peuvent parfois être soumises à des vibrations de tourbillons d huile, qui se produisent à une fréquence égale à environ 45 % de la vitesse d opération. Cela peut paraître énorme surtout s il existe une vitesse critique située à ou juste sous 45 % de la vitesse d opération. C est ce qu on appelle une condition de tourbillon d huile. En plus des considérations de base dans la conception des paliers, qui ne seront pas traitées dans le présent document, une cause fréquente est la viscosité élevée de l huile occasionnée par des températures basses d huile pour les moteurs opérant dans des conditions froides. Des vibrations subharmoniques semblables, mais de faible amplitude, peuvent se produire sur des paliers équipés de bagues de lubrification et probablement dû à une lubrification déficiente. Des essieux de paliers dont la circularité est corrompue ou des paliers désalignés peuvent aussi constituer des sources de vibrations. Des paliers antifriction possèdent quatre fréquences de défectuosités de rotation pour lesquelles des formules de calcul ou des tables sont fournies dans les ouvrages de référence. Ces fréquences de défectuosités concernent les rotations intérieures et extérieures ainsi que les mouvements des roulements et des autres pièces d entraînement. Des recherches exhaustives n ont pas permis de déterminer les amplitudes acceptables pour les fréquences de défectuosités des paliers. Toutefois, le facteur le plus important à considérer pour reconnaître l usure significative des paliers est la présence d un certain nombre de fréquences harmoniques de défectuosités, particulièrement si elles sont accompagnées de fréquences latérales indépendantes de l amplitude [14]. La surveillance des vibrations devrait être entreprise au moment de l installation par l observation de ces indicateurs afin de pouvoir prédire la durée de vie restante des paliers. III. IDENTIFICATION DES CAUSES DES PROBLÈMES DE VIBRATIONS Une fois les causes des vibrations connues, le moment est venu d établir une approche systématique visant à résoudre les problèmes qui pourraient survenir. CUEILLETTE DES DONNÉES DE VIBRATIONS/ANALYSE La dynamique des rotors, la collecte des données de vibrations et leur analyse sont des aspects qui n ont pas été traités de façon exhaustive dans le présent document. Pour obtenir plus de renseignements, consulter les références [1] et [2]. Il faut garder à l esprit que toutes les sources de vibrations électriques et mécaniques n évoluent pas nécessairement au même rythme. Pire encore, les vibrations électriques peuvent moduler et, lorsque superposées aux vibrations induites mécaniquement, elles peuvent produire une réponse en vibrations résultantes instables en amplitude et en phase. Par une cueillette de données adéquate, des tests et une analyse, il est possible d identifier l origine des vibrations. UNITÉS DE VIBRATIONS Les vibrations peuvent être mesurées en unités de déplacement (d un sommet à l autre, en mils ou en mm), en unités de vitesse (du zéro au sommet, en po/s ou en mm/s) ou en unités d accélération (du zéro au sommet, en G). L accélération met l emphase sur les hautes fréquences, le déplacement sur les basses fréquences et la vitesse sur toute la gamme de fréquences. Cette relation est illustrée à la figure 14. Dans cette figure, le niveau de vibration reste constant à 0,08 po/s (2 mm/s) pour toute la plage de fréquences, avec les niveaux de vibrations correspondants en accélération (en G) et en déplacement (en mils). Il est possible de faire la conversion d une unité de mesure à l autre pour une fréquence spécifique de vibration. Pour ce faire, une connaissance complète de tout le spectre des données d une mesure de vibration est nécessaire (l amplitude pour chaque bande de fréquence, pour chaque ligne de résolution). Aujourd hui, les unités les plus utilisées sont celles du déplacement, pour les mesures de vibrations sur les arbres, et de la vitesse, pour les mesures de vibrations des boîtiers. L utilisation de ces unités se retrouve également dans les normes courantes telles que API et NEMA. ORIENTATION DES MESURES Les mesures devraient être prises selon les trois plans (vertical, horizontal et axial) sur les deux boîtiers de paliers, tel que montrés à la figure 15. VIBRATIONS D ARBRE VS VIBRATIONS DE BOÎTIER L obtention des données des vibrations d arbre vs les vibrations de boîtier est liée au type de problème rencontré. Il est souvent avantageux de posséder les données concernant l arbre et celles rattachées au boîtier. Si le problème origine du rotor (par exemple, déséquilibrage ou tourbillon d huile), il est alors préférable d être en possession des données des vibrations de l arbre. TN40-10

11 Fiche technique n o 40 Résolution des problèmes de vibrations de moteurs Si par contre le problème vient du boîtier ou de la structure du moteur (par exemple, deux fois la ligne de fréquence), alors les données concernant les vibrations du boîtier sont préférables. Les vibrations du boîtier sont généralement obtenues à l aide d accéléromètres montés verticalement. Les vibrations de l arbre peuvent être collectées de deux façons : par un bâton de mesure («shaft stick») ou par une sonde de proximité. Il est important de bien distinguer les deux méthodes. La sonde recueille des données sur les vibrations de l arbre par rapport au boîtier, tandis que le bâton mesure les vibrations par rapport à un point de référence absolu (inertie). Les vibrations du boîtier sont toujours obtenues par rapport à une référence absolue. Si le moteur possède des sondes de proximité, ces dernières doivent être utilisées. Dans le cas contraire, des sondes de proximité peuvent être configurées à l aide de supports magnétiques. On doit alors s assurer que le bout de la sonde soit mis à la terre. Toutefois, même en prenant cette précaution, les pertes électriques seront plus importantes que celles d un moteur fabriqué spécialement pour être utilisé avec une sonde. MODULATION CONTRE DONNÉE INSTANTANÉE Une donnée instantanée fait référence à une donnée du spectre de vibrations obtenue à un moment précis. Les données d amplitude vs fréquence existent déjà sous ce format. Une modulation est une suite de données de vibrations collectées sur une période de temps (généralement 10 à 15 minutes). De cette façon, on peut procéder à l analyse de la variation des vibrations en fonction du temps. Les fréquences suivantes sont relevées par la prise d une modulation : 1/2X, 1X, 2X, et 1f, 2f, et les niveaux de vibrations résultants (non filtrés), où X correspond à la fréquence de rotation et f à la ligne de fréquence. De plus, les données sur les phases devraient être prises avec la modulation, spécialement pour la fréquence de rotation 1X. Ceci rendra possible l identification et la correction des divers problèmes de vibrations. Il est parfois souhaitable de distinguer la fréquence 2X («twice line frequency») de la fréquence de rotation 2X («twice rotational frequency»). Différentes méthodes sont requises pour y arriver à pleine charge comme sans charge. Sous pleine charge, la différence en fréquence est suffisamment grande pour que chacune des composantes puisse être mesurée directement avec la plupart des dispositifs. Cependant, à charge nulle, les fréquences sont si près les unes des autres que ce n est pas possible, même en utilisant le mode «grossissant» d un analyseur à haute résolution. Une méthode indirecte est alors préférable. Il s agit de mesurer la valeur 2 x «tr/min» à tension réduite (25 %) où la composante 2 x «ligne» est négligeable et ensuite de la soustraire de la composante 2 x «sommet» du test de modulation qui est la somme des composantes 2 x «ligne» et 2 x «tr/min». Cette façon de faire n est normalement possible qu en usine ou dans un atelier de réparation. MÉTHODE DE RÉSOLUTION DE PROBLÈMES Si un problème de vibrations se manifeste, plusieurs tests peuvent être effectués. Mais les points d entretien suivants doivent d abord être vérifiés. Points d entretien : Vérifier les boulons de montage desserrés ou tout autre pièce désajustée. Garder le moteur libre de saleté ou de débris. Vérifier que le refroidissement et les températures d entrée sont adéquates et que les ouvertures sont libres de toute obstruction. Vérifier les températures du palier et du stator. Procéder à la lubrification tel que recommandé. Vérifier les niveaux d huile. Vérifier périodiquement le degré de vibrations et consigner les résultats par écrit. Les fréquences affectées et les autres caractéristiques des vibrations se trouvent détaillées au tableau 1. Est-ce que les boulons sont bien serrés? Est-ce que le problème de support «mou» a été éliminé? Est-ce que l alignement à chaud est correct? S il n est pas possible de le vérifier, est-ce que l alignement à froid a été vérifié (avec les compensations thermiques pour le chaud ou le froid)? Y a t-il une pièce, un couvercle de boîte, une tuyauterie qui vibre de façon excessive (est-ce qu une pièce quelconque attachée au moteur est en résonance)? Est-ce que la base ou la structure du moteur est installée de façon à générer des vibrations de plus de 25 % de celles du moteur? Y a-t-il un jeu excessif de certaines pièces du moteur ou de l arbre? Est-ce que des pales du ventilateur sont usées ou brisées? Est-ce que des boulons de l accouplement sont desserrés ou manquants? Est-ce que la lubrification de l accouplement est suffisante? Lorsqu on peut répondre à toutes ces questions de façon satisfaisante, mais que le degré de vibrations demeure élevé, une analyse plus approfondie des vibrations s impose. Essentiellement, il n y a que deux étapes pour diagnostiquer un problème, soit : TN40-11

12 Résolution des problèmes de vibrations de moteurs Fiche technique n o 40 Obtenir les données de vibrations (qui ne sont pas toujours claires à cause du bruit, des fréquences latérales, de combinaisons de signaux, de modulation, etc). Déterminer quel facteur augmente, diminue ou n a aucun effet sur les vibrations durant les différents tests afin d en isoler la véritable cause. Idéalement, les mesures de vibrations devraient être obtenues avec un moteur opérant sous les conditions suivantes : Chargé, accouplé, pleine tension, conditions stables (conditions d opération normales) : Permet d obtenir les premières mesures. Représente l état de la machine en opération. Indique quel test doit être effectué ensuite. Déchargé, accouplé, pleine tension : Enlève les vibrations liées à la charge, conserve les autres conditions. Pas toujours possible de ramener la charge complètement à zéro, mais une charge réduite est habituellement possible. Déchargé, découplé, pleine tension : Enlève tous les effets de l accouplement et de la machine entraînée. Isole le système moteur/base. Déchargé, découplé, tension réduite (25 % si possible) : Effet des forces d attraction magnétiques minimisé (plus efficace lorsque comparé aux vibrations à pleine tension). Réduction à 25 % possible seulement à l atelier de réparation ou en usine. Si le moteur est connecté Wyedelta, alors la connexion Wye est effectivement à une tension de 57 % par rapport à une connexion delta à la même tension aux bornes. Une comparaison des vibrations entre les deux types de connexions donnera la sensibilité en tension du moteur. Déchargé, découplé, au ralenti : Rend n importe quel problème de résonance/vitesse critique apparent sur tout le système moteur/base/équipement entraîné. L observation des changements de vibrations lorsque la puissance du moteur est coupée donne la même infirmation que pour une tension d opération réduite, comme illustré à la figure 16. Les données de fréquences ainsi que les données temporelles doivent être recueillies. Durant le ralentissement, l évolution des données de fréquences par rapport à celles des vitesses produira un tracé en cascades. Un graphique Bodé donnera l amplitude et la phase vs la vitesse. Bien sûr, une tension de 25 % n est pas disponible sur le site d exploitation. La mesure des vibrations à tension réduite est l une des méthodes les plus efficaces pour séparer les vibrations induites électriquement (qui se manifestent à la fréquence 2X) de celles qui sont induites mécaniquement (se produisant à la vitesse de rotation 2X) dans les moteurs 2-pôles. TABLEAU 2 : LIMITES DE VIBRATIONS* Limites de vibrations des boîtiers utilisées dans l industrie NEMA 1998 NEMA pre-1993 API e éd. API e Éd. 2,4,6 pôles 2 pôles 4 pôles 6 pôles 2, 4, 6 pôles 2 pôles 4 pôles 6 pôles Non filtrée (ensemble) Filtrée 1X Filtrée 2X Filtrée 2f TN ,12 po/s (3 mm/s) 0,12 po/s (3 mm/s) 1.0 mil (0,03mm) 2.0 mils (0,05mm) 2.5 mils (0,06mm) 0.1 po/s (2,5mm/s) 0.1 po/s (2,5mm/s) 0.1 po/s (2,5mm/s) 0.1 po/s (2,5mm/s) 0.8 mil (0,02mm) 0.5 mil (0,01mm) 1.5 mils (0,04mm) 1.0 mil (0,03mm) 1.5mils (0,04mm) 1.0mil (0,03mm) 0.08 po/s (2,0mm/s) 0.05 po/s (1,3mm/s) 0.05 po/s (1,3mm/s) IEEE 841 2,4,6, pôles Limites de vibrations des arbres utilisées dans l industrie NEMA avant 1998 API e éd. API e Éd. 2 pôles 4 pôles 6 pôles 2, 4, 6 pôles 2 pôles 4 pôles 6 pôles Non filtrée (ensemble) 1.5 mils Filtrée 1X Filtrée 2X Filtrée 2f 1,0 mil (0,03mm) 2,0 mils (0,05mm) 2,5 mils (0,06mm) (0,04mm) 1.2 mils (0,03mm) 0.5 mils (0,01mm) 0,5 mils (0,01mm) 2,0 mils (0,05mm) 1,5 mils (0,04mm) 1,0 mils (0,03mm) 2,5 mils (0,06mm) 2,0 mils (0,05mm) 1.5 mils (0,04mm) 3,0 mils (0,08mm) 2,5 mils (0,06mm) 1,7 mils (0,04mm)

13 Fiche technique n o 40 Résolution des problèmes de vibrations de moteurs LIMITES DE VIBRATIONS Un grand nombre de publications existent concernant les limites de vibrations. Le tableau 2 dresse une liste des limites de vibrations pour divers secteurs de l industrie. Les révisions actuelles et périmées des normes sont mentionnées. Ces limites de vibrations des moteurs s appliquent à des moteurs montés sur des masses sismiques, couplés ou non, ou alors couplés à des équipements de telle façon que les effets des vibrations provenant de l équipement entraîné ont été complètement éliminés. Au fur et à mesure que le moteur vieillira, le niveau des vibrations augmentera progressivement. Il existe une multitude de raisons qui expliquent pourquoi le niveau des vibrations augmente avec le temps : Dégradation des paliers (paliers à coussinets) Desserrement des barres du rotor Accumulation de débris dans les pare-éclaboussures, entre le rotor et le stator, etc. Changements dans les conditions de montage : détérioration de la base jointoyée, changement dans l alignement/pieds de support «mou», etc. Desserrement de pièces installées sur le moteur. Évidemment, si des facteurs augmentant le niveau de vibration du moteur sont identifiés, ils doivent être corrigés. Si pour une raison quelconque il n est pas possible de rectifier ces conditions ou de les identifier, le niveau de vibration devra être comparé à ce que le moteur peut tolérer en toute sécurité. Les limites de vibrations appropriées pour une application en particulier dépendent de plusieurs facteurs, tels que la vitesse du moteur, sa taille, son type de conception et finalement, l aspect critique du processus. Les limites de vibrations permises dans le moteur dépendent grandement de ce que l utilisateur est prêt à tolérer, tout en tenant compte de ce que le moteur lui-même peut absorber. En l absence de toute autre information, le tableau 3 peut servir de guide pour l établissement des limites d alarmes. Les limites matérielles peuvent être fixées en toute sécurité à 10 % au-dessus des limites d alarmes. TABLEAU 3 : LIMITES EXTRÊMES DE VIBRATIONS Vitesse (tr/min) Boîtier po/sec. mm/sec. 0,2(5) 0,2(5) 0,2(5) 0,2(5) Arbre (mils) (mm) 3,0(0,08) 3,4(0,09) 3,9(0,10) 4,5(0,11) * Ce tableau a été mis à jour par EASA afin de refléter les changements de la norme NEMA MG Généralement, les paliers à coussinets (en comparaison avec les paliers antifriction) sont plus restrictifs en ce qui concerne les limites de vibrations. Les moteurs équipés de paliers à coussinets peuvent opérer en continu à la moitié du jeu diamétral de leurs roulements sans subir de dommages. Ils peuvent fonctionner à des niveaux légèrement plus élevés durant de courtes périodes de temps, mais ces limites plus élevées doivent être fixées en collaboration avec le manufacturier. Si le moteur est positionné sur une base faible, des limites de vibrations plus élevées (si mesurées avec un bâton plutôt qu une sonde) peuvent être tolérées sur le boîtier ainsi que sur l arbre. En effet, les vibrations mesurées sur les pieds des supports du moteur peuvent être soustraites des vibrations mesurées sur les paliers. Référez-vous à la figure 11 et à la section «Forcer la réponse en fréquence» pour plus d information. IV. CONCLUSION Les problèmes de vibrations peuvent varier d une simple nuisance jusqu à une indication de panne imminente du moteur. Avec de solides connaissances des moteurs et de l analyse des vibrations, il est possible d identifier l origine du problème et même de le corriger ou d amoindrir l impact des vibrations sur la durée de vie du moteur et sur sa fiabilité. TN40-13

14 Résolution des problèmes de vibrations de moteurs Fiche technique n o 40 V. RÉFÉRENCES [1] API Standard 541, 3 e édition, Form-Wound Squirrel Cage Motors 250 Horsepower and Larger, Washington, D.C., [2] NEMA Standards Publication n o MG , Rosslyn, VA, [3] Sommers, Ernest W., «Vibration in Two Pole Induction Motors Related to Slip Frequency», Transaction, AIEE (avril 1955), p [4] Brozek, B., «120 Hertz Vibrations in Induction Motors, Their Cause and Prevention», IEEE, Catalogue n o 71C35- IGA, Paper PLI-7, 1-6 (1971). [5] Robinson, R.C., «Line Frequency Magnetic Vibration of A-C Machines», Transaction, AIEE, Power Apparatus and Systems, vol. 81, p , [6] Alger, P.L., «Induction Machines», 2 e édition, Gordon and Breach Science Publishers, New York, [7] Finley, W.R. et Burke, R.R., «Troubleshooting Motor Problems», IAS, 1993, IEEE Transactions of Industry Applications, 1994, vol. 30, n o 5. [8] Finley, W.R., «Noise in Induction Motors Causes and Treatments», IAS, 1991, IEEE Transactions of Industry Applications, 1991, vol. 27, n o 6. [9] Eis, R.O., «Electric Motor Vibration Cause Prevention, and Cure», IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 1A-11, n o 3, mai/juin [10] Baumgardner, J., «Vibration in Squirrel-Cage Induction Motors», Proceedings of the 18 th Turbomachinery Symposium, College Station, TX, p , octobre [11] Costello, M.J., «Understanding the Vibration Forces in Induction Motors», Proceedings of the 19 th Turbomachinery Symposium, Dallas, TX, p , septembre [12] Finley, W.R. et Holter, W.G., «Retrofitting Pipelines with Induction Motors», IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 34, n o 5, septembre/octobre [13] Hodowanec, M.M. et Bezesky, D.M., «Field Motor Testing : Procedures Which Limit Amount of Risk Involved», IEEE IAS PCIC Conference Records, p [14] Berry, J.E., «How to Track Rolling Element Bearing Health with Vibration Signature Tracking», Sound and Vibration, p , novembre [15] Taylor, A.G., «Computer-Assisted Diagnosis of Instability Problems : Four Case Histories», Orbit Publication, Bentley Nevada, vol. 8, n o 1, p. 5-13, février Copyright 2000, IEEE. Imprimé avec l autorisation de Record of Conference Papers, IEEE Industry, Applications Society, Petroleum and Chemical Industry Conference, septembre 1999 (Paper n o PCIC-99-20). Nota : Cet article a été publié pour la première fois en mars TN40-14

15 Fiche technique n o 40 Résolution des problèmes de vibrations de moteurs Cause Jeu dans le noyau du stator Déformation thermique du rotor TABLEAU 1 : TABLEAU DE DIAGNOSTIC DES MOTEURS ÉLECTRIQUES Fréquence Angle de Arrêt de de Amplitude Commentaires phase puissance vibrations 120 Hz. axial et radial 1X principalement. Peut y avoir 120Hz. Peut y avoir des modulations sur des vibrations 1X et 2X. Radial. Structure et Stable logements paliers en phase à 120 Hz Instable 1) Change avec temp. 2) Lié au temps ou à la charge 3) Varie à la fréquence de glissement x pôles Diminue immédiatement. Petite diminution mais les hauts niveaux descendent avec vitesse Vérifier les mouvements relatifs du noyau par rapport au boîtier. 1) Lié à la chaleur. 2) Examiner l empilement du rotor pour des épaisseurs inégales ou un jeu. 3) Court-circuit sur rotor. 4) Vérifier jeu des barres. Barres de rotor brisées Jeu dans les barres Erreur d interphase Erreur de mise à la terre Tension de ligne déséquilibrée Bruit de vibration électrique Résonance du système 1X et module au glissement x # de pôles. Peut y avoir fréquences des encoches du stator élevées sur moteurs basse vitesse. 1) 1X effet possible d équilibrage avec sensibilité thermique 2) Fréquence encoches du stator plus latérales à + ou (#pôles x glissement) 60 Hz et 120 Hz. Radial. 60 Hz et 120 Hz sur encoches. Radial. Dépendant de la position des barres brisées 1) Vibration 1X stable 2) Fréquence encoches du stator module causant fluctuation de l angle de phase sur l ensemble de la vibration. N/A N/A Fort battement possibles. 1) Varie à la fréquence de glissement x pôles 2) Amplitude augmente avec charge Stable Stable et battement possible Stable et battement possible 120 Hz. radial N/A Stable à 120 Hz et battement possible (rpm x # encoches À cause de la Stable du rotor)/60 + ou modulation, 120, 240, etc. fluctuation de radial. l ensemble de la vibration. 1 x rpm ou autre fréquence de force. Un seul plan, horizontal. Varie avec la charge et la vitesse Varie Diminue immédiatement. 1) Fréquence encoches du stator disparaît immédiatement 2) Effet de déséquilibrage peut disparaître immédiatement à certaines basses vitesses Disparaît immédiatement. Disparaît immédiatement. Disparaît immédiatement. Disparaît immédiatement. Disparaît rapidement. 1) Étincelles dans entrefer. 2) Variations à long terme dans les fréquences d encoches du stator peuvent indiquer problèmes de barres. 3) Barres brisées causent des trous dans champ magnétique. 4) Grandes fluctuations de courant. 5) Analyse du courant montre des fréquences latérales de glissement. Jeu excessif peut causer des problèmes d équilibrage sur moteurs haute vitesse. Augmente avec augmentation de charge. Les fondations peuvent avoir besoins de plus de rigidité. Peut impliquer d autres facteurs. Contrainte 1 x rpm Stable Occasionné par des distorsions des fondations à cause des pièces attachées (tuyauterie). Essieu en mauvais 2 x rotation Erratique Stable Peut disparaître à Peut agir comme un frottement. état basse vitesse. Instabilité du film Env. ( ) Instable Stable d huile rotation Problème de palier antifriction Fréquences variées selon design de palier Instable Stable Quatre fréquences de base. Pièces en résonance Ajustement du couvercle supérieur Désalignement : 1) Palier 2) Accouplement Frottement : 1) Joint/palier À la fréquence de force ou un multiple N/A Stable Diminue rapidement. 120 Hz. Radial. N/A Stable Disparaît immédiatement. Principalement 2X. Parfois 1X. Radiale haute à DE et axial. Principalement 1X. Parfois 2X. Radiale haute à DE et axial. 1/4X, 1/3X, 1/2X ou 10-20X. Principalement 2X. Parfois 1X. Radial. Angle de phase peut être erratique DE180 degré déphasé avec ODE Erratique Stable Stable Erratique dépendant de la gravité Diminue graduellement avec la vitesse. Diminue graduellement avec la vitesse. Disparaît subitement à certaines basses vitesses. Peut venir des pièces adjacentes. 1) Magnification électrique de 120Hz. 2) Le couvercle supérieur repose sur le support du noyau. 1) 2X peut dominer durant ralentissement. 2) 2X est prévalent avec un désalignement plus prononcé. 1) Le parallélisme cause des forces radiales et désalignement angulaire cause des forces axiales. 2) Dépendant de la charge. 1) Le plein frottement tend à être 10-20X plus élevé. 2) Le désalignement du palier peut donner des symptômes de frottement. TN40-15

16 Résolution des problèmes de vibrations de moteurs Fiche technique n o 40 2) Rotor Jeu : 1) Palier (immobile) 1/4X, 1/3X, 1/2X et 1X avec fréquence de glissement. Latérale. Radial. 2X. 3X parfois. Radial Erratique Haut 1) Coups intenses Stable Fluctue Disparaît à certaines basses vitesses. 1) Jeu des assises du palier. 2) Jeu à la séparation du palier. 2) Noyau du rotor (en rotation) 3) Socle (immobile) 4) Ventilateur s externes Rotor déséquilibré 1-10X avec 1X, 2X et 3X prédominants. Radial 1-10X avec 2X et 3X prédominants. Radial et axial. 1X et 3X. Radial et axial ODE (extrémité ventilateur) 1X vitesse du rotor. Radial. 1) 1X radial à ODE (extrémité ventilateur) 2) 1X radial avec haut à ODE (extrémité ventilateur) 1X radial et haut sur DE 2X principalement. 1X parfois. Axial. 1) Peut y avoir du jeu 2) Jeu dans le noyau occasionne symptômes erratiques Erratique, haute amplitude 1) Diminue avec la vitesse. 2) Peut disparaître soudainement. Stable Fluctue Disparaît à certaines basses vitesses. N/A Fluctue 1) Diminue avec la vitesse. 2) Peut disparaître soudainement. 1) ODE et DE en phase 2) Le couple est déphasé 1) Couple DE 2) 180 degrés déphasé avec EO Stable Stable Niveau diminue lentement. Niveau diminue lentement. Accouplement déséquilibré Stable Niveau diminue lentement. Allongement de ODE 180 degrés Stable Niveau diminue l arbre courbé déphasé avec DE lentement. Entrefer excentrique Fort 120Hz. Radial N/A Stable Diminue immédiatement. Pieds de support 1X principalement. Instable Module en Diminue «mou», rotor Parfois 60Hz et amplitude avec le immédiatement. excentrique 120 Hz. Radial. glissement 1) Jeu dans la plaque arrière. 2) Jeu dans le diamètre intérieur du noyau. Le déséquilibre peut être dû à des problèmes thermiques. Déséquilibre dû à l accouplement ou la clavette. Excès DE devrait donner une 2X axiale plus élevée au bout. Excès normal au noyau (1-2 mils) Différence entre entrefer min et max divisée par la moyenne devrait être moins de 10 %. 1) Excentricité limite 1-2 mils. 2) Battement de glissement change en fonction de vitesse/charge TN40-16

17 Fiche technique n o 40 Résolution des problèmes de vibrations de moteurs (Cette page fut laissée blanche intentionnellement) TN40-17