Frottement et flexion thermique du rotor : pourquoi l'équilibrage ne converge pas

Vous avez tout fait selon les règles. Démarrage initial, masse d'essai, calcul, correction. Et le démarrage de contrôle a affiché non pas 0,8 mm/s comme le logiciel le promettait, mais 3,5 mm/s, à un angle complètement différent. La cause n'est souvent ni une erreur de lecture d'angle ni les masses : la machine change pendant qu'elle fonctionne, et le calcul des masses perd son sens. Les deux causes les plus fréquentes de cette instabilité sont le frottement du rotor contre des pièces fixes et la flexion thermique.

Mis à jour le 27 août 2026 · par AXILINE · Vila Nova de Gaia

Pourquoi une vibration instable casse le calcul des masses

L'équilibrage par coefficients d'influence repose sur une seule équation. Le vecteur de vibration sur le palier se compose de la réponse au balourd initial et de la réponse à la masse ajoutée. L'appareil mesure le vecteur initial, vous posez une masse d'essai de masse connue à un rayon connu, l'appareil mesure le nouveau vecteur, et le logiciel attribue toute la différence entre les deux à la masse. De cette différence naît le coefficient d'influence, puis la masse et l'angle de correction.

Deux conditions cachées dans cette équation passent généralement inaperçues. La première : le système est linéaire, c'est-à-dire qu'une force deux fois plus grande donne une réponse deux fois plus grande, et la rigidité des paliers ne dépend pas de l'amplitude. La seconde : le système ne change pas entre les démarrages, c'est-à-dire que la géométrie du rotor, les jeux et la température restent identiques. Le frottement rompt la première condition. La flexion thermique rompt la seconde.

Calculons ce qui se passe alors avec les chiffres. L'exemple est théorique, à but illustratif, pas un compte rendu de travail réel. Le démarrage initial donne 4,0 mm/s à 30°. Le démarrage d'essai donne 6,0 mm/s à 70°, et le logiciel considère que tout ce déplacement du vecteur a été créé par la masse. Mais pendant les douze minutes qu'ont pris l'arrêt, la pose de la masse et le retour à la vitesse de service, la machine a chauffé, et la composante thermique a ajouté ses propres 1,2 mm/s à 150°. Le coefficient d'influence obtenu est faux, à la fois en module et en phase. Le logiciel promet une résiduelle de 0,5 mm/s, le démarrage de contrôle affiche 3,5 mm/s à un angle qui n'a rien à voir.

Et ensuite, ça empire. Vous ajoutez de nouvelles masses, mais la dérive continue, et chaque nouvelle itération se calcule sur des données déjà faussées. C'est ainsi que naît le tableau familier : trois ou quatre démarrages, la vibration saute tantôt vers le haut, tantôt vers le bas, et la machine n'entre jamais dans la tolérance. L'appareil n'y est pour rien. Vous résolvez une équation dont les coefficients changent.

Le critère de validité des données est simple et se vérifie en un seul démarrage supplémentaire. Arrêtez la machine et redémarrez-la, sans rien changer. L'amplitude de la 1x (composante de rotation — vibration à la fréquence de rotation du rotor) doit se reproduire à environ 10 % près, la phase à quelques degrés près. Si la phase a dérivé de plusieurs dizaines de degrés, relever des coefficients d'influence est inutile, aussi soigné que soit le reste du travail.

Le frottement : un contact qui vit dans le spectre et dans le signal temporel

Le frottement, c'est le contact d'un rotor en rotation avec une pièce fixe. Les candidats sont peu nombreux et tous prévisibles : joint labyrinthe ou à brosses, carter de ventilateur, cône d'entrée, diffuseur, écran de protection, déflecteur d'huile, couvercle de palier, morceau cassé d'isolant. Parfois, le contact n'est pas créé par le rotor lui-même, mais par une couche de produit collée sur la turbine, qui a fini par atteindre le jeu.

La mécanique du contact explique toute l'image à l'écran. Tant que le rotor ne touche pas le carter, le système n'a qu'une seule rigidité. Au moment du contact, une rigidité de butée s'ajoute, mais uniquement dans une direction et seulement sur une partie du tour. La réponse devient asymétrique et écrêtée, et des harmoniques apparaissent dans le spectre — composantes multiples de la fréquence de rotation : 2x, 3x, 4x et au-delà, souvent avec un fond de bruit relevé.

Un frottement partiel, quand le contact se produit une fois par tour, donne ce spectre en peigne et des chocs dans le signal temporel avec une période d'un tour. Un frottement annulaire, quand le rotor se pose sur le joint sur toute la circonférence, se comporte différemment : le frottement déclenche une précession rétrograde — le rotor commence à rouler sur le joint dans le sens opposé à sa rotation — et des sous-harmoniques stables 1/2x, 1/3x, 1/4x apparaissent dans le spectre. C'est déjà une situation d'urgence, pas une raison de continuer les mesures.

Il existe aussi un piège inverse. Le contact soutient le rotor, augmente la rigidité effective du système et diminue parfois l'amplitude de la 1x. Vous regardez la vibration globale, vous voyez que c'est « mieux », et vous ne remarquez pas que les harmoniques ont augmenté et que la phase de la 1x a cessé de se reproduire. C'est justement pour cela qu'il faut toujours regarder le signal temporel, pas seulement le spectre.

• Peigne d'harmoniques 1x, 2x, 3x et au-delà, avec un fond de bruit relevé
• Sous-harmoniques stables 1/2x, 1/3x, 1/4x, si le contact est devenu annulaire
• Signal temporel écrêté d'un côté ou nettement asymétrique par rapport à zéro
• Chocs dans le signal avec une période d'exactement un tour
• L'image change à mesure que la machine chauffe : le jeu dérive, et le contact apparaît puis disparaît
• Échauffement local du carter dans la zone de contact : caméra thermique, ou simplement la main sur le carter
• Traces sur le métal : bande polie et brillante, couleurs de recuit, poussière métallique, peinture arrachée
• La phase de la 1x ne se reproduit pas d'un démarrage à l'autre, l'amplitude saute sans cause apparente
• Son caractéristique : un crissement sec ou un sifflement, qui change avec la vitesse de rotation

Pour voir les harmoniques et sous-harmoniques, une bande d'évaluation globale ne suffit pas. Réglez une Fmax (borne supérieure de la plage de fréquences du spectre) de l'ordre de 10 à 20 fois la fréquence de rotation, soit environ 250 à 500 Hz pour une machine à 1450 tr/min, avec au moins 1600 lignes. Nous avons un article séparé sur le choix de la Fmax, du nombre de lignes et du temps d'enregistrement.

La flexion thermique : le rotor change de géométrie sous l'effet de la chaleur

La flexion thermique est une courbure du rotor due à un échauffement ou un refroidissement inégal. Un côté de l'arbre ou de la roue chauffe plus que l'autre, le métal se dilate de façon asymétrique, l'axe se courbe, et le centre de masse quitte la ligne des paliers. Vous obtenez alors une véritable force de rotation, qui n'existait pas sur la machine froide.

Il vaut la peine de tenir la liste des causes, car il faut les chercher à l'œil, pas à l'appareil. Refroidissement inégal : canaux colmatés, moitié de la grille d'admission d'air obstruée, flux d'air chaud dirigé d'un seul côté du carter, recirculation du rejet vers l'entrée. Échauffement inégal de l'intérieur : court-circuit local dans l'enroulement, barres de rotor endommagées, écoulement inégal d'un fluide chaud à travers la roue. Flexion résiduelle après un arrêt prolongé : un rotor lourd, immobile pendant de nombreuses heures dans une même position, s'affaisse sous son propre poids, et vous voyez pendant les premières minutes du démarrage une vibration qui disparaîtra ensuite.

Il existe aussi un lien particulier entre la flexion et le frottement. Le contact chauffe le rotor de façon ponctuelle, ce point chaud provoque une flexion vers le point de contact, la flexion accentue le contact. Le système entre dans un processus lent, auto-entretenu, où la phase de la 1x tourne en continu tandis que l'amplitude monte et descend sur des dizaines de minutes. Sur un diagramme polaire (le graphique où le vecteur de vibration est représenté par une amplitude et un angle), l'extrémité du vecteur trace non pas un point, mais une spirale. C'est un signe classique : pas un « bruit de mesure », mais un phénomène physique.

Il existe aussi une variante propre aux paliers lisses. Sur un rotor en porte-à-faux avec une forte excentricité de l'arbre, l'huile dans le jeu chauffe de façon inégale sur la circonférence, le tourillon de l'arbre se réchauffe de façon asymétrique, et l'arbre subit une flexion thermique venant du palier lui-même. La conclusion pratique reste la même : tant que le processus thermique est en cours, le vecteur 1x n'est pas une caractéristique du balourd.

Il ne faut pas confondre la flexion thermique du rotor avec la dilatation thermique des carters. La dilatation des carters et des paliers élève les arbres les uns par rapport aux autres et crée un désalignement induit, qui se corrige par un alignement des arbres avec des décalages à froid définis. La flexion, elle, change la géométrie du rotor lui-même. Les signes se ressemblent, parce que les deux phénomènes sont liés à la montée en température, mais les interventions sont différentes.

• L'amplitude de la 1x augmente de façon monotone pendant les 20 à 60 premières minutes à vitesse de rotation constante
• La phase de la 1x dérive lentement dans un seul sens, plutôt que d'osciller autour d'une moyenne
• Le scénario se reproduit presque à l'identique d'un démarrage à l'autre, selon la même courbe
• Après arrêt et refroidissement, un démarrage à froid redonne la vibration faible initiale
• L'écart de température sur le carter ou sur les brides est visible à la caméra thermique
• Parfois, sur le diagramme polaire, le vecteur trace une spirale au lieu d'un point

Un rotor chaud et courbé se comporte comme un rotor flexible : son balourd est réparti sur la longueur et dépend de la forme de la flexion, si bien que deux plans de correction peuvent ne pas suffire à décrire toute l'image. L'ISO 21940-12 traite de l'évaluation et de l'équilibrage des rotors flexibles ; vérifiez la partie applicable et l'édition pour votre machine.

Sources : ISO 21940-12:2016

Le test d'un seul échauffement : comment séparer le temps et la vitesse

Une idée aide à séparer les causes. La résonance est fonction de la vitesse de rotation. Le frottement et la flexion thermique sont fonction du temps et de la température. Il faut donc changer la vitesse une fois et suivre le temps une fois. Toute la vérification tient en un seul échauffement et un seul arrêt, soit environ une heure de fonctionnement.

1. Étape 1

   Relevez la courbe d'échauffement

   Démarrez la machine froide à la vitesse de service et maintenez-la constante. Toutes les 2 à 3 minutes, notez quatre grandeurs : vitesse de rotation, vibration globale, amplitude de la 1x et phase de la 1x. Notez à côté la température des paliers. Ne déplacez pas le capteur et ne changez pas de direction de mesure, sinon la courbe deviendra incomparable avec elle-même.

2. Étape 2

   Attendez le régime thermique établi

   Considérez le régime comme établi quand la température du palier change de moins de 1 à 2 °C en 10 minutes, et que la phase de la 1x reste dans quelques degrés sur ces mêmes 10 minutes. Pour un petit ventilateur, cela prend 20 à 30 minutes ; pour une grosse machine avec un fluide chaud, une heure ou plus. Avant ce point, les mesures ne servent qu'au diagnostic, pas au calcul des masses.

3. Étape 3

   Vérifiez la répétabilité

   Arrêtez la machine sans rien toucher, et redémarrez-la. Comparez le vecteur 1x sur le même échauffement. S'il coïncide à 10 % près en amplitude et à quelques degrés près en phase, les données sont valables. Sinon, cherchez la cause, ne calculez pas de masses.

4. Étape 4

   Changez la vitesse de rotation

   Sur une machine à variateur de fréquence, décalez la vitesse de 10 à 15 % et observez ce qui arrive à l'amplitude et à la phase. Un pic étroit et marqué avec un basculement de phase d'environ 180° indique une résonance. Si l'image ne dépend presque pas de la vitesse mais dépend fortement du temps de fonctionnement, c'est un phénomène thermique. Si la vitesse n'est pas réglable, relevez la vibration en roue libre.

5. Étape 5

   Laissez la machine refroidir

   Arrêtez la machine, laissez-la refroidir et relevez un démarrage à froid. Si la vibration faible et la phase antérieure reviennent, la nature thermique est confirmée. Si la vibration reste élevée après refroidissement, la cause est mécanique : portée détériorée, desserrage, masse perdue, aube cassée, frottement ayant déjà provoqué une usure.

6. Étape 6

   Inspectez la machine pendant qu'elle est chaude

   Immédiatement après l'arrêt, passez la caméra thermique sur le carter, les joints, le carénage et les brides. Un point chaud localisé sur le carter dans un secteur trahit une zone de contact. Retirez ensuite le couvercle ou la trappe et examinez le métal : bande polie, griffures, poussière métallique.

Notez tout dans un tableau horodaté. C'est la courbe « phase en fonction des minutes de fonctionnement » qui pose le diagnostic, pas un spectre isolé, aussi beau soit-il. Une seule mesure ne distingue pas une flexion thermique d'une erreur d'opérateur, une série de mesures le fait.

Tableau : distinguer cinq situations qui se ressemblent

Les combinaisons sont plus fréquentes que les cas purs. Le desserrage augmente la mobilité du rotor et favorise le frottement. Le frottement chauffe le rotor et provoque une flexion. La flexion fait croître la vibration et aggrave le jeu. Ne vous arrêtez donc pas au premier signe trouvé : vérifiez toute la liste, sinon vous corrigerez la conséquence en laissant la cause en place.

Sources : ISO 13373-3:2015

Frottement détecté : marche à suivre

Le frottement fait partie des défauts qui ne peuvent en principe pas être compensés par des masses. Tant que le contact existe, toute correction ne vit que jusqu'au prochain changement de jeu, et l'usure continue de progresser. Votre tâche est de trouver le point de contact et de rétablir le jeu.

• Mesurez les jeux là où ils sont accessibles : joint, carter, cône d'entrée, diffuseur, couvercles. Comparez avec le plan ou la fiche technique de la machine
• Gardez en tête que le jeu à froid et le jeu à chaud diffèrent. Si le contact n'apparaît que sous charge, tenez compte des déplacements thermiques, pas seulement des cotes à froid
• Vérifiez si le rotor n'est pas venu au contact du carter à cause de l'usure d'un roulement ou d'une portée. Un jeu radial excessif dans un roulement crée à lui seul un frottement
• Vérifiez la contrainte exercée par une tuyauterie ou une gaine raccordée sans souplesse : elle déplace le carter et consomme le jeu d'un côté
• Vérifiez le serrage des pattes et la patte molle. Un desserrage donne au système du rotor une course supplémentaire et provoque le contact
• Inspectez la turbine et la roue : couche de produit collée, bord d'aube replié, masse posée précédemment desserrée ou déplacée
• Vérifiez que ce n'est pas le rotor lui-même qui frotte, mais un corps étranger : morceau d'isolant, débris de joint, revêtement du carter décollé
• Rétablissez le jeu et répétez la mesure avant tout équilibrage. Les harmoniques et sous-harmoniques doivent disparaître, et la phase de la 1x doit recommencer à se reproduire

Distribuer des masses à l'aveugle en cas de frottement est dangereux, pas seulement par la perte de temps. Le contact chauffe le métal, abîme le joint et réduit le rendement, et sur une machine à paliers lisses, un frottement annulaire peut faire basculer le rotor en instabilité en quelques minutes. Si les sous-harmoniques 1/2x et 1/3x sont marquées et augmentent, on arrête la machine, on ne la « pousse pas jusqu'à la fin de l'équipe ».

Flexion thermique : que faire et comment travailler sur une machine chaude

Ici, l'ordre est différent. La flexion thermique n'est pas toujours un défaut à éliminer. C'est parfois une propriété normale de la machine en régime de service, et la tâche n'est alors pas de supprimer la flexion, mais d'équilibrer honnêtement dans l'état où la machine fonctionne réellement.

Cherchez néanmoins d'abord la cause. La symétrie de l'échauffement se rétablit le plus souvent par des mesures simples : nettoyage des canaux de refroidissement, grille entièrement dégagée, suppression de la recirculation du rejet chaud vers l'entrée, isolation ou écran contre un flux d'air chaud dirigé, réparation de l'enroulement ou des barres du rotor. Chacun de ces points réduit la flexion elle-même, et aucune masse ne donnera cet effet.

Si la cause est éliminée mais que la flexion subsiste en régime de service, équilibrez sur la machine chaude. L'idée est que tous les démarrages se déroulent dans le même état thermique, de sorte que la condition d'invariance du système soit respectée, et que les coefficients d'influence deviennent fiables.

Gardez en tête un cas particulier : un rotor avec une flexion résiduelle due à un arrêt prolongé. Une telle machine ne s'équilibre pas sur les premières minutes de fonctionnement. Laissez-la se redresser à la vitesse de service et relevez les données ensuite. Si, après un échauffement complet, la flexion ne se redresse pas, l'arbre a une courbure permanente, et c'est alors une question de redressage ou de remplacement, pas de masses.

1. 01

   Atteignez le régime thermique établi

   Chauffez la machine jusqu'à une température de palier stable et une phase de 1x stable. Ne considérez comme initiale que cette seule mesure. Tout ce que vous avez noté pendant l'échauffement, gardez-le pour le diagnostic.

2. 02

   Réduisez les arrêts entre démarrages

   Chaque arrêt pour poser une masse refroidit la machine. Préparez les masses, la fixation et l'outillage à l'avance, tracez les plans de correction avant le démarrage, travaillez à deux. Plus l'arrêt est court, moins les états thermiques des démarrages divergent.

3. 03

   Rechauffez la machine avant chaque mesure

   Après avoir posé la masse, ne mesurez pas immédiatement. Laissez le même temps de chauffe que pour le démarrage initial, et relevez le vecteur au même point de la courbe. C'est plus long, mais les données deviennent comparables.

4. 04

   Vérifiez la répétabilité à chaque démarrage

   Avant d'accepter une mesure, regardez si la phase est stabilisée. Si elle continue de dériver, c'est que le régime n'est pas encore établi ou que le processus thermique n'est pas terminé. Attendez, ne calculez pas.

5. 05

   Conservez les coefficients d'influence

   Les coefficients obtenus sur la machine chaude conviennent pour de futures interventions sur cette même machine, dans ce même régime. La prochaine fois, vous vous passerez de démarrages d'essai, donc d'arrêts et de refroidissements superflus. Pour une machine difficile à arrêter, c'est le principal gain pratique.

6. 06

   Consignez les conditions dans le rapport

   Notez la vitesse de rotation, la charge, la température des paliers, le temps d'échauffement, les points et directions de mesure. Sans ces conditions, un chiffre comme « devenu 1,6 mm/s » ne veut rien dire : dans un autre régime thermique, la même machine affichera un autre chiffre.

L'évaluation de l'état général par la vibration globale, en mm/s RMS dans la bande 10–1000 Hz, que fixe l'ISO 20816, se rapporte à des conditions de fonctionnement établies, c'est-à-dire au régime et à la charge. Pour une machine à flexion thermique, ce n'est pas une formalité : on ne peut pas comparer une mesure à froid et une mesure à chaud entre elles. La tolérance de balourd résiduel selon les classes G est fixée par l'ISO 21940-11. Vérifiez les parties applicables et les éditions pour votre machine, et pour une réception contractuelle, consignez-les dans le document avec le régime et les points de mesure.

Sources : ISO 20816-1:2016 · ISO 21940-11:2016

Conclusion pratique : si la phase dérive, arrêtez-vous

Résumons tout en une seule règle, à appliquer avant même de toucher à la masse d'essai. Regardez la phase de la 1x à vitesse de rotation constante. Si elle est stable, le système se prête au calcul. Si elle dérive, aucun calcul n'a de valeur, et continuer l'équilibrage revient à déplacer la vibration au hasard.

Cette règle fait gagner plus de temps que n'importe quelle autre vérification sur site. Trois démarrages superflus avec masses et remontages prennent une heure et demie à deux heures, alors qu'un test d'échauffement avec relevé de la phase se déroule en parallèle du fonctionnement de la machine et ne demande aucun arrêt.

Et n'oubliez pas pourquoi tout cela existe. L'équilibrage sert à éliminer la force due à une masse mal répartie. Le frottement et la flexion thermique ne sont pas un balourd, mais d'autres phénomènes, qui se manifestent à la même fréquence 1x et se déguisent donc en balourd. On ne peut les distinguer que par leur comportement dans le temps. L'appareil montre ce comportement immédiatement, à condition de regarder non pas un seul chiffre, mais une courbe.

• La phase de la 1x reste dans quelques degrés sur 10 minutes de fonctionnement
• Un nouveau démarrage donne le même vecteur : 10 % en amplitude, quelques degrés en phase
• La 1x fournit l'essentiel de la vibration globale, les harmoniques et sous-harmoniques sont faibles
• Le signal temporel est symétrique, sans sommets écrêtés ni chocs une fois par tour
• Les températures des paliers sont stables, pas de point chaud localisé sur le carter
• Les jeux sont normaux, aucune trace de contact sur le métal
• Ce n'est que maintenant que vous posez la masse d'essai

Si vous ne souhaitez pas vous en occuper vous-même

Nous sommes des ingénieurs qui concevons et fabriquons les appareils Balanset et réalisons nous-mêmes les équilibrages sur site. La première chose que nous faisons donc sur place, c'est mesurer et observer le comportement de la machine dans le temps, pas souder des masses tout de suite. Si la phase de la 1x dérive à l'échauffement ou si le signal montre des traces de frottement, vous le saurez avant que l'équilibrage ne commence, avec l'indication précise de ce qu'il faut vérifier.

Le côté technique est simple. Le Balanset-1A enregistre deux voies simultanément et affiche la vibration globale, l'amplitude et la phase de la 1x, la vitesse de rotation, le spectre FFT et le signal temporel, soit exactement l'ensemble par lequel on distingue les harmoniques d'un frottement de la dérive lente de phase d'une flexion thermique. Le diagramme polaire rend la spirale visible à l'œil. L'historique et les rapports permettent de comparer une mesure à froid et une mesure à chaud, sans se fier à sa seule mémoire.

Quand la cause est bien un balourd, le travail habituel suit : équilibrage en un ou deux plans par la méthode des coefficients d'influence, répartition de la masse sur des positions fixes ou calcul de perçage si la soudure n'est pas possible, calcul de la tolérance selon les classes G, ajout de masses si nécessaire. Les coefficients d'influence relevés sur la machine chaude sont sauvegardés, et la prochaine intervention se fait sans démarrages d'essai.

L'appareil peut aussi s'acheter, y compris en version Balanset-1A OEM sans mallette, pour intégration dans des machines-outils et des bancs d'essai. Il est accompagné d'un accompagnement-conseil, incluant l'analyse de vos spectres, signaux temporels et courbes d'échauffement.

Sources : Manuel d’utilisation Balanset-1A · Spécifications fabricant Balanset-1A

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