Alignement, équilibrage et analyse vibratoire

Introduction au chapitre

Ce chapitre couvre trois domaines techniques intimement liés dans la pratique du métier de mécanicien industriel (millwright) : l'alignement des arbres, l'équilibrage des rotors et l'analyse vibratoire. Ces compétences sont essentielles pour assurer la fiabilité, la durée de vie et la sécurité des machines tournantes. Le Red Seal (Sceau rouge) exige une maîtrise des principes, des procédures et des calculs associés à ces techniques. Vous devez comprendre non seulement comment effectuer ces tâches, mais aussi pourquoi elles sont nécessaires et comment interpréter les résultats.

Alignement des arbres

Définitions et principes fondamentaux

L'alignement est l'opération qui consiste à rendre colinéaires les axes de rotation de deux arbres accouplés (ou plus). Un mauvais alignement est la cause principale de défaillance prématurée des accouplements, des roulements et des joints d'étanchéité.

Deux types de défauts d'alignement existent :

Désalignement parallèle (radial) : les axes des deux arbres sont parallèles mais décalés d'une distance Δ (delta). On mesure ce défaut en millimètres (mm) ou en millièmes de pouce (mil).

Désalignement angulaire : les axes des deux arbres forment un angle Ω (oméga) entre eux. On mesure ce défaut en mm/m (millimètres par mètre) ou en mils/pouce.

En pratique, la plupart des désalignements sont combinés : parallèle et angulaire simultanément.

Méthodes de mesure d'alignement

Méthode de la règle et du comparateur (méthode simple)

Cette méthode est utilisée pour un alignement grossier. On place une règle droite sur les deux demi-accouplements pour vérifier le parallélisme, et on utilise un jeu de cales (feeler gauges) pour vérifier l'écart angulaire. Cette méthode n'est pas suffisante pour les machines à haute vitesse ou à haute précision.

Méthode des comparateurs (dial indicators)

C'est la méthode la plus courante pour un alignement précis. On utilise deux comparateurs montés sur un support fixé à un demi-accouplement, les tiges de mesure appuyant sur l'autre demi-accouplement.

Comparateur radial : mesure le déplacement radial (parallèle).

Comparateur axial : mesure le déplacement axial (angulaire).

Procédure standard (méthode à deux comparateurs) :

21.Fixer le support avec les deux comparateurs sur le demi-accouplement de la machine mobile (généralement le moteur).

22.Régler les comparateurs à zéro à la position 12 heures.

23.Faire tourner l'arbre de 90° en 90° (positions 3 h, 6 h, 9 h) et noter les lectures.

24.Revenir à la position 12 h pour vérifier le retour à zéro (sinon, refaire la mesure).

25.Calculer les corrections nécessaires.

Formules de calcul (méthode à deux comparateurs) :

Pour le plan vertical (vue de côté) :

Désalignement parallèle au plan de l'accouplement : Δ = (lecture bas - lecture haut) / 2

Désalignement angulaire : Ω = (lecture axiale bas - lecture axiale haut) / diamètre du cercle de mesure

Pour corriger, on utilise la règle des triangles semblables pour calculer les cales à ajouter ou retirer sous les pattes de la machine mobile.

Exemple de calcul de cales :

Si le désalignement angulaire mesuré est de 0,20 mm/m et que la distance entre la patte avant et le centre de l'accouplement est de 200 mm, la correction à la patte avant est :

Correction = 0,20 mm/m × 0,2 m = 0,04 mm

Méthode par laser (alignement laser)

C'est la méthode la plus précise et la plus rapide. Un émetteur laser est fixé sur un arbre et un récepteur (détecteur) sur l'autre. Le système calcule automatiquement les corrections nécessaires. Le Red Seal exige que vous connaissiez les principes de base, mais les calculs sont effectués par l'instrument.

Tolérances d'alignement

Les tolérances dépendent de la vitesse de rotation. Le tableau suivant donne les valeurs de référence selon la norme ISO 1940-1 (équilibrage) et les pratiques courantes de l'industrie (pour l'alignement, la norme de référence est souvent la norme API 686 ou les recommandations du fabricant).

Vitesse de rotation (tr/min)	Désalignement parallèle max (mm)	Désalignement angulaire max (mm/m)
< 1000	0,10	0,10
1000 – 2000	0,08	0,08
2000 – 4000	0,05	0,05
> 4000	0,03	0,03

Important : Ces valeurs sont des guides. Toujours consulter les spécifications du fabricant de la machine et de l'accouplement.

Effets d'un mauvais alignement

Augmentation des forces radiales sur les roulements.

Échauffement anormal des roulements et des accouplements.

Usure prématurée des joints d'étanchéité.

Augmentation de la consommation d'énergie.

Vibrations excessives.

Défaillance catastrophique possible.

Dilatation thermique et alignement à froid

Les machines se dilatent lorsqu'elles chauffent en fonctionnement. Un alignement effectué à froid doit donc compenser cette dilatation. On parle d'alignement à froid avec correction thermique. Le fabricant fournit généralement des valeurs de compensation (en mm) pour chaque patte. Ces valeurs sont ajoutées ou soustraites des lectures pour obtenir l'alignement correct à température de fonctionnement.

Équilibrage des rotors

Principes de l'équilibrage

L'équilibrage est l'opération qui consiste à répartir la masse d'un rotor de manière à ce que son axe de rotation coïncide avec son axe d'inertie principal. Un rotor déséquilibré génère des forces centrifuges qui provoquent des vibrations, de l'usure et du bruit.

La force centrifuge générée par un déséquilibre est donnée par :

F = m × r × Ω²

Où :

F = force centrifuge (N)

m = masse de déséquilibre (kg)

r = rayon de la masse (m)

Ω = vitesse angulaire (rad/s) = 2π × N / 60 (N en tr/min)

Exemple : Une masse de 10 g à un rayon de 100 mm sur un rotor tournant à 3600 tr/min génère :

Ω = 2π × 3600 / 60 = 377 rad/s

F = 0,01 × 0,1 × 377² = 142 N

Cette force de 142 N appliquée à chaque tour peut détruire rapidement les roulements.

Types de déséquilibre

Type	Description	Effet
Statique	Le centre de gravité est déplacé de l'axe de rotation. Détectable à l'arrêt (le rotor tourne pour placer la masse lourde en bas).	Vibrations radiales importantes.
Dynamique (couple)	Deux masses de déséquilibre opposées dans deux plans différents. Non détectable à l'arrêt.	Vibrations radiales et axiales.
Combiné	Mélange de déséquilibre statique et dynamique.	Vibrations complexes.

Classes de qualité d'équilibrage (ISO 1940-1)

La norme ISO 1940-1 définit des classes de qualité d'équilibrage. Le paramètre clé est le déséquilibre résiduel admissible par unité de masse du rotor, noté e (excentricité résiduelle) en mm/s.

Classe	Type de rotor	e (mm/s)
G 4000	Arbres de transmission rigides (marins, automobiles)	4000
G 1000	Arbres de transmission avec arbres intermédiaires	1000
G 250	Rotors de moteurs électriques, turbines, compresseurs	250
G 40	Rotors de pompes, ventilateurs, machines-outils	40
G 16	Rotors de moteurs électriques de petite taille, turbines	16
G 6,3	Rotors de moteurs électriques, alternateurs, turbines à vapeur	6,3
G 2,5	Rotors de turbines à gaz, compresseurs centrifuges, machines de précision	2,5
G 1	Rotors de broches de machines-outils, gyroscopes	1
G 0,4	Rotors de haute précision (broyeurs, centrifugeuses)	0,4

Calcul du déséquilibre admissible :

Le déséquilibre résiduel admissible U (en g·mm) est :

U = e × M / Ω

Où :

e = excentricité résiduelle admissible (mm/s) selon la classe

M = masse du rotor (kg)

Ω = vitesse angulaire (rad/s)

Exemple : Un rotor de 50 kg tournant à 3000 tr/min, classe G 6,3.

Ω = 2π × 3000 / 60 = 314 rad/s

U = 6,3 × 50 / 314 = 1,00 g·mm

Si le rayon de correction est de 100 mm, la masse de déséquilibre admissible est :

m = U / r = 1,00 / 100 = 0,01 g = 10 mg

Méthodes d'équilibrage

Équilibrage statique

Le rotor est placé sur des couteaux ou des rouleaux parfaitement horizontaux. On marque la position la plus basse (masse lourde). On ajoute de la masse du côté opposé ou on retire de la masse du côté lourd. On répète jusqu'à ce que le rotor reste en équilibre dans n'importe quelle position.

Équilibrage dynamique (sur machine à équilibrer)

Le rotor est monté sur une machine à équilibrer qui mesure les vibrations dans deux plans de correction. La machine calcule la masse et la position de correction pour chaque plan. Cette méthode est utilisée pour les rotors longs ou à haute vitesse.

Équilibrage sur site (en place)

On utilise un analyseur de vibrations avec un capteur de phase (tachymètre laser ou stroboscope). La procédure est la suivante :

88.Mesurer la vibration initiale (amplitude et phase).

89.Ajouter une masse d'essai connue à une position connue.

90.Mesurer la nouvelle vibration.

91.Calculer la masse et la position de correction à l'aide de la méthode vectorielle (triangle de forces) ou du calcul trigonométrique.

Formule de calcul (méthode du triangle) :

Soit V₀ = vecteur de vibration initial, V₁ = vecteur de vibration avec masse d'essai. Le vecteur de correction est :

V_c = V₁ - V₀

La masse de correction est :

m_c = m_essai × |V₀| / |V_c|

La position de correction est décalée de l'angle entre V₀ et V_c, dans le sens de rotation.

Procédures de correction

Ajout de masse : soudage, boulonnage, rivetage de plaques ou de masses.

Retrait de masse : perçage, fraisage, meulage.

La correction doit être effectuée dans les plans de correction prévus à cet effet sur le rotor.

Analyse vibratoire

Principes de base

L'analyse vibratoire est une technique de maintenance prédictive qui consiste à mesurer et à interpréter les vibrations d'une machine pour diagnostiquer son état de santé. Les vibrations sont des oscillations mécaniques autour d'une position d'équilibre.

Les paramètres fondamentaux sont :

Amplitude : déplacement (mm), vitesse (mm/s) ou accélération (m/s²).

Fréquence : nombre d'oscillations par seconde (Hz) ou par minute (CPM - cycles par minute).

Phase : position angulaire de la vibration par rapport à une référence (degrés).

Transducteurs de mesure

Type	Mesure	Utilisation typique
Accéléromètre	Accélération	Machines à haute vitesse, roulements, engrenages
Vélocimètre (géophone)	Vitesse	Machines à vitesse moyenne, équilibrage
Capteur de proximité (courants de Foucault)	Déplacement	Machines à paliers lisses, arbres nus

Unités de mesure et normes

La norme ISO 10816 (évaluation des vibrations des machines par mesurage sur les parties non tournantes) définit des zones de sévérité vibratoire.

Zone	État de la machine	Vitesse vibratoire efficace (mm/s)
A	Nouvelle machine (bon état)	< 1,8
B	Acceptable pour fonctionnement continu	1,8 – 4,5
C	Tolérable pour fonctionnement limité	4,5 – 11,2
D	Dommageable (arrêt requis)	> 11,2

Remarque : Ces valeurs sont pour les machines de puissance moyenne (15 kW à 300 kW) en fonctionnement à vitesse nominale.

Analyse fréquentielle (spectre de vibrations)

La transformée de Fourier (FFT) décompose le signal vibratoire en ses composantes fréquentielles. Chaque défaut de machine génère des vibrations à des fréquences caractéristiques.

Fréquences caractéristiques des défauts

Défaut	Fréquence caractéristique
Déséquilibre	1× la vitesse de rotation (1× RPM)
Mauvais alignement	1×, 2×, 3× RPM (souvent 2× prédominant)
Jeu mécanique	1×, 2×, parfois 3× RPM, harmoniques multiples
Roulement défectueux	Fréquences de passage des éléments roulants (BPFO, BPFI, BSF, FTF)
Engrenage usé	Fréquence d'engrènement (GMF = nombre de dents × RPM) et ses harmoniques
Loisir (cavitation)	Bruit aléatoire à haute fréquence (bande large)
Résonance	Fréquence naturelle de la structure (indépendante de la vitesse)
Boucle d'huile (oil whirl)	0,4× à 0,5× RPM (paliers lisses)

Formules pour les roulements

Pour un roulement à billes avec Z éléments roulants, diamètre des billes d, diamètre primitif D, angle de contact α, et vitesse de rotation N (tr/min) :

BPFO (Ball Pass Frequency Outer) : fréquence de passage des billes sur la bague extérieure

BPFO = (Z × N / 2) × (1 - (d/D) × cos α)

BPFI (Ball Pass Frequency Inner) : fréquence de passage sur la bague intérieure

BPFI = (Z × N / 2) × (1 + (d/D) × cos α)

BSF (Ball Spin Frequency) : fréquence de rotation des billes

BSF = (N × D / (2 × d)) × (1 - (d/D)² × cos² α)

FTF (Fundamental Train Frequency) : fréquence de rotation de la cage

FTF = (N / 2) × (1 - (d/D) × cos α)

Exemple : Roulement 6205 (Z = 9 billes, d = 7,94 mm, D = 39 mm, α = 0°), N = 1800 tr/min.

BPFO = (9 × 1800 / 2) × (1 - 7,94/39) = 8100 × 0,796 = 6448 CPM ≈ 107 Hz

BPFI = (9 × 1800 / 2) × (1 + 7,94/39) = 8100 × 1,204 = 9752 CPM ≈ 163 Hz

Mesures vibratoires globales (tendance)

On mesure la vitesse vibratoire globale (mm/s RMS) sur chaque palier dans trois directions : horizontale (H), verticale (V), axiale (A). On trace la tendance dans le temps pour détecter une dégradation progressive.

Règle d'alerte : Une augmentation de 25 % de la vibration globale par rapport à la valeur de référence justifie une investigation. Une augmentation de 100 % (doublement) justifie un arrêt planifié.

Diagnostic des défauts courants

Déséquilibre

Spectre : pic dominant à 1× RPM.

Direction : vibrations radiales (H et V) élevées, axiale faible.

Phase : stable, décalage de 90° entre H et V.

Cause : masse non répartie uniformément, dépôt de produit, érosion.

Mauvais alignement

Spectre : pics à 1× et 2× RPM (parfois 3×).

Direction : axiale élevée (souvent 50 % ou plus de la radiale).

Phase : instable, décalage de 180° entre les deux côtés de l'accouplement.

Cause : alignement incorrect, dilatation thermique non compensée.

Roulement défectueux

Spectre : pics aux fréquences BPFO, BPFI, BSF, FTF et leurs harmoniques.

Direction : vibrations à haute fréquence (accélération).

Phase : aléatoire.

Cause : usure, fatigue, manque de lubrification, contamination.

Jeu mécanique

Spectre : pics à 1×, 2×, 3× RPM avec de nombreuses harmoniques (jusqu'à 10×).

Direction : radiale, souvent verticale prédominante.

Phase : instable, non reproductible.

Cause : boulons desserrés, jeu dans les paliers, jeu dans l'accouplement.

Analyse d'enveloppe (accélérométrie)

Pour détecter les défauts de roulements à un stade précoce, on utilise l'analyse d'enveloppe (enveloppe spectrum). Cette technique filtre les basses fréquences et démodule le signal haute fréquence pour révéler les impacts périodiques des défauts de roulement.

Procédures et bonnes pratiques

Procédure d'alignement complète

162.Préparation : Vérifier que les fondations sont propres, les boulons serrés, les pieds de la machine en contact avec la base.

163.Vérification du pied mou (soft foot) : Desserrer un boulon à la fois et mesurer le déplacement du comparateur. Un pied mou est présent si le déplacement dépasse 0,05 mm.

164.Alignement grossier : Utiliser la règle et les cales pour un premier alignement.

165.Alignement précis : Utiliser les comparateurs ou le laser.

166.Correction : Ajouter ou retirer des cales sous les pattes. Utiliser des cales en acier inoxydable, pleine largeur, avec un minimum de cales (maximum 4).

167.Vérification finale : Refaire les mesures pour confirmer l'alignement dans les tolérances.

168.Serrage des boulons : Serrer en croix, progressivement, en vérifiant que l'alignement ne change pas.

Procédure d'équilibrage sur site

170.Mesure initiale : Mesurer la vibration et la phase à la vitesse de fonctionnement.

171.Choix du plan de correction : Identifier le plan (ou les plans) de correction disponibles.

172.Masse d'essai : Choisir une masse d'essai (environ 10 % de la masse du rotor divisée par le rayon, ou selon l'expérience).

173.Deuxième mesure : Monter la masse d'essai à une position connue (par exemple à 0°), mesurer à nouveau.

174.Calcul : Utiliser la méthode vectorielle pour calculer la masse et la position de correction.

175.Correction : Ajouter ou retirer la masse calculée.

176.Vérification : Mesurer à nouveau pour confirmer que la vibration est dans les limites acceptables.

Analyse vibratoire : procédure de diagnostic

178.Collecte de données : Mesurer les vibrations globales (H, V, A) sur chaque palier.

179.Analyse spectrale : Acquérir un spectre FFT sur chaque point de mesure.

180.Identification des fréquences : Comparer les pics du spectre aux fréquences caractéristiques calculées (1× RPM, BPFO, GMF, etc.).

181.Analyse de phase : Mesurer la phase pour confirmer le diagnostic.

182.Tendance : Comparer avec les mesures précédentes.

183.Rapport : Documenter les résultats et les recommandations.

Normes et codes applicables

Norme	Titre	Application
ISO 1940-1	Exigences de qualité d'équilibrage des rotors rigides	Équilibrage des rotors
ISO 10816	Évaluation des vibrations des machines	Mesures vibratoires globales
ISO 7919	Évaluation des vibrations des machines par mesurage sur les arbres rotatifs	Capteurs de proximité
CSA B149.1	Code canadien sur le gaz naturel et le propane	Machines dans les zones classées (lorsque applicable)
Code canadien de l'électricité, Chapitre V	Règles pour les installations électriques dans les zones classées	Équipements électriques dans les zones dangereuses (règle 8-200 pour les moteurs)

Remarque importante : Le Code canadien de l'électricité, Chapitre V (règle 8-200) exige que les moteurs électriques installés dans les zones classées soient certifiés pour l'usage prévu. Lorsque vous effectuez un alignement ou un équilibrage dans ces zones, vous devez vous assurer que les outils utilisés (laser, analyseur) sont certifiés pour une utilisation dans les zones classées (certification intrinsèquement sûre).

Pièges à éviter

190.Oublier la dilatation thermique : Un alignement parfait à froid peut devenir un mauvais alignement à chaud. Toujours appliquer les corrections thermiques du fabricant.

191.Ignorer le pied mou : Un pied mou fausse toutes les mesures d'alignement. Toujours vérifier et corriger le pied mou avant l'alignement.

192.Utiliser des cales de mauvaise qualité : Des cales rouillées, déformées ou trop nombreuses (plus de 4) compromettent la stabilité de la machine.

193.Confondre les unités : Ne pas confondre mm/m (pente angulaire) et mm (déplacement parallèle). Vérifier les unités des comparateurs (mm ou mils).

194.Oublier de vérifier le retour à zéro : Si le comparateur ne revient pas à zéro après une rotation complète, les mesures sont invalides.

195.Négliger la phase dans l'équilibrage : L'équilibrage n'est pas seulement une question d'amplitude. La phase est essentielle pour déterminer la position de la masse de correction.

196.Utiliser la mauvaise classe d'équilibrage : Choisir une classe trop stricte (G 0,4 au lieu de G 6,3) rend l'équilibrage impossible ou inutilement coûteux.

197.Confondre BPFO et BPFI : BPFO (bague extérieure) est généralement plus faible que BPFI (bague intérieure). Une inversion conduit à un mauvais diagnostic.

198.Oublier les harmoniques : Un pic à 2× RPM n'est pas toujours un alignement. Vérifier la direction (axiale vs radiale) et la phase.

199.Travailler dans une zone classée sans outils certifiés : Utiliser un laser ou un analyseur non certifié dans une zone classée peut provoquer une explosion.

200.Ne pas documenter les mesures : Les tendances sont essentielles en analyse vibratoire. Sans historique, il est difficile de diagnostiquer.

201.Serrage incorrect des boulons : Serrer les boulons en croix et progressivement. Un serrage asymétrique déforme la machine et fausse l'alignement.

Résumé

Alignement : Rendre colinéaires les axes de rotation. Deux types de défauts : parallèle et angulaire. Méthodes : règle, comparateurs, laser. Tolérances dépendent de la vitesse. Toujours compenser la dilatation thermique.

Équilibrage : Répartir la masse pour que l'axe de rotation coïncide avec l'axe d'inertie. Types : statique, dynamique, combiné. Classes ISO 1940-1 (G 0,4 à G 4000). Méthodes : statique, machine à équilibrer, sur site avec analyseur.

Analyse vibratoire : Mesurer et interpréter les vibrations. Paramètres : amplitude, fréquence, phase. Transducteurs : accéléromètre, vélocimètre, capteur de proximité. Norme ISO 10816 pour les zones de sévérité. Fréquences caractéristiques : 1× RPM (déséquilibre), 2× RPM (alignement), BPFO/BPFI (roulements), GMF (engrenages).

Formules clés : F = m × r × Ω², U = e × M / Ω, BPFO = (Z × N / 2) × (1 - d/D).

Normes : ISO 1940-1, ISO 10816, CSA B149.1, Code canadien de l'électricité Chapitre V (règle 8-200 pour zones classées).

Conseils pour l'examen Red Seal

Mémorisez les formules : F = m × r × Ω² et U = e × M / Ω sont des questions fréquentes.

Connaissez les classes d'équilibrage : Les valeurs G 6,3 et G 2,5 sont les plus courantes dans l'industrie.

Comprenez les fréquences des roulements : BPFO < BPFI toujours (pour α = 0°).

Sachez interpréter un spectre : Un pic à 1× RPM = déséquilibre, à 2× RPM = alignement, harmoniques multiples = jeu.

Révisez les zones ISO 10816 : Les valeurs limites (1,8 / 4,5 / 11,2 mm/s) sont à connaître.

Pratiquez les calculs d'alignement : La règle des triangles semblables pour les cales est un classique.

N'oubliez pas la sécurité : Dans les zones classées, utilisez des outils certifiés (intrinsèquement sûrs).

Ce chapitre couvre l'essentiel des connaissances requises pour l'examen Red Seal en alignement, équilibrage et analyse vibratoire. Une pratique régulière des calculs et une familiarité avec les normes sont indispensables pour réussir.

Alignement, équilibrage et analyse vibratoire