Le terme « tolérance » désigne un écart maximal admis par rapport à une valeur de référence. Nous avons tous un seuil de tolérance et un niveau de résistance à l'effort physique différents. Le corps des sportifs de haut niveau est adapté à l'effort déployé. Quelle que soit leur constitution physique, les athlètes ont un point commun : le temps qu'ils consacrent à la création des conditions optimales à leur activité. La durée de leurs efforts en compétition peut varier, mais reste négligeable par rapport au temps consacré à l'optimisation de leur forme physique.
Les machines utilisées sont également différentes en fonction de l'objectif à atteindre. Leur durée d'utilisation varie, mais dépasse généralement plusieurs dizaines de milliers d'heures. La tolérance applicable au réglage d'une machine spécifique désigne les conditions physiques à respecter pour que les machines fonctionnent sur la durée prévue et génèrent/produisent le résultat escompté de façon rentable.
Les coûts énergétiques et de maintenance représentent environ 75 % du coût du cycle de vie d'une machine, contre seulement 10 % pour le prix d'achat !
Quel est le coût d'un défaut d'alignement ?
Une étude réalisée par Pumping Systems Matter & Hydraulic Institute révèle que le prix d'achat d'une machine correctement dimensionnée représente environ 10 % du coût total du cycle de vie, contre respectivement 40 % et 35 % pour les coûts énergétiques et de maintenance, les coûts annexes correspondant aux 15 % restants. D'autres études arrivent à des chiffres similaires. Les coûts énergétiques et de maintenance représentent environ 75 % du coût du cycle de vie. Dans ce contexte, la configuration de la machine peut jouer un rôle déterminant sur les fonds dont vous disposerez à la fin de la durée de vie prévue de la machine.
Même si les coûts énergétiques varient d'une machine à l'autre, des études documentées montrent qu'un alignement approprié permet de réaliser des économies de l'ordre de 2 à 17 %. Le coût du cycle de vie des machines est basé sur un besoin en maintenance calculé, qui ne tient pas compte du fait que près de 50 % des pannes des machines rotatives sont dues à des défauts d'alignement.
La tolérance globale doit prendre en compte l'ensemble des composants vitaux de la machine.
Comment déterminer la précision d'alignement nécessaire pour les machines à couplage axial ?
En réalité, les tolérances pour les pompes, les boîtes de vitesses ou toute autre machine ne sont soumises à aucune règle universelle. Chaque machine est utilisée d'une manière différente, adaptée à une tâche bien spécifique, comme évoqué en introduction. Chaque composant vital doit respecter une tolérance particulière, et le niveau d'acceptation global doit tenir compte de tous les composants vitaux de la machine, de leur relation les uns avec les autres et des conditions de fonctionnement. Une fois tous ces éléments pris en compte, vous pourrez déterminer la tolérance réelle.
Les frottements dans un palier déterminent la quantité de chaleur qu'il génère et limitent sa vitesse de fonctionnement. Les frottements dépendent de plusieurs facteurs : charge, type de palier, lubrification, etc. En règle générale, un jeu du palier variable et/ou un défaut d'alignement des paliers augmentent les frottements. Une vitesse de rotation plus élevée implique des exigences de précision d'alignement plus strictes pour compenser ces frottements.
Une vitesse de rotation plus élevée implique des exigences de précision d'alignement plus strictes pour compenser ces frottements.
Le film lubrifiant d'un palier empêche tout contact métallique. Les défauts d'alignement augmentent le niveau de vibration et affectent l'étanchéité des joints. Une lubrification insuffisante accentue les frottements et l'usure, et réduit la durée de vie. Le risque de pénétration de contaminants à l'intérieur du palier est également très élevé, ce qui peut raccourcir sa durée de vie. Au fil des ans, les fabricants de paliers à rouleaux ont étudié plusieurs millions de paliers dans diverses installations, et ont constaté que seule une faible proportion des pannes avérées étaient liées à la fatigue normale du matériau dans le chemin de roulement du palier. La majorité des pannes résultent d'une usure anormale, de l'humidité, de la corrosion, d'un montage incorrect, de défauts d'alignement et de dommages au niveau du joint ou du système de lubrification.
Comment réagissent les différents types d'accouplement ?
Plusieurs facteurs sont responsables de l'usure des accouplements. Les accouplements comprenant des éléments en caoutchouc sont affectés par le milieu environnant, et l'usure d'un accouplement à denture bombée dépend du lubrifiant utilisé, de la quantité de lubrifiant utilisée et du milieu environnant. Les défauts d'alignement accentuent l'usure des accouplements, mais leur impact peut varier selon la conception de l'accouplement. Certains types d'accouplements sont donc moins sensibles aux défauts d'accouplement. Les accouplements flexibles sont souvent utilisés pour le transfert du couple entre les machines. Les accouplements doivent alors être dimensionnés de sorte à réduire les forces défavorables qui se manifestent souvent lorsqu'une machine passe du mode stationnaire au mode de fonctionnement, et à encaisser les mouvements du processus. Cependant, pour que les machines puissent fonctionner pendant la durée prévue, les tolérances en mode de fonctionnement doivent être respectées pour tous les composants critiques. La limite maximale autorisée pour l'accouplement en question est souvent spécifiée par le fabricant, mais si cette limite est respectée, il se peut que les forces soient trop élevées dans les paliers des machines.
En règle générale, si les tolérances applicables aux machines sont respectées, la tolérance applicable à l'accouplement l'est également. Lorsque vous changez de type d'accouplement, demandez conseil au fournisseur de l'accouplement ainsi qu'au fournisseur de la machine. C'est en effet la conception de la machine qui déterminera la précision d'alignement. Dans le cas d'une réclamation au titre de la garantie résultant d'une panne de machine, le fabricant de la machine n'approuvera probablement pas l'intervention d'un tiers.
Exemple de l'impact des forces axiales sur les paliers d'une machine.
Un léger défaut d'alignement permet-il d'améliorer l'état de fonctionnement d'une machine ?
Non. Mais théoriquement, oui. Un léger défaut d'alignement peut améliorer l'état de fonctionnement de machines en marche. Supposons que les arbres des composants en marche de la machine couplée sont alignés, sans aucun décalage ni défaut angulaire. Le jeu du palier pourrait alors avoir un effet négatif, car la rotation de l'arbre à une vitesse spécifique pourrait le faire flotter et provoquer une auto-oscillation de l'arbre, ce qui entraînerait vraisemblablement des vibrations.
Ce facteur est notamment pris en compte à bord des navires et lors de l'installation d'arbres d'hélices. Dans notre exemple, aucune fondation rigide en béton ne permet d'absorber les vibrations/mouvements. Les corps de palier étant installés dans la coque, leurs vibrations/mouvements provoqueront sans doute des oscillations dans la coque. Ce type d'installation est très différent de l'installation de pompes ou de moteurs, par exemple. Dans les deux cas, les fabricants consacrent beaucoup de temps aux calculs et aux tests, qui servent ensuite de base pour l'installation. Cependant, l'alignement d'un arbre d'hélice, d'une pompe ou d'un moteur sont réunis par le même mot d'ordre : c'est la conception des éléments de la machine qui déterminera les conditions à satisfaire pour atteindre les performances attendues pendant la durée prévue.
D'une manière générale, il est peu probable que des machines en marche et soumises à de telles forces puissent être alignées avec une précision qui supprime toute possibilité de formation du moindre décalage ou défaut angulaire, même si cette situation semble s'être déjà produite.
De nouvelles normes en vue
Des tableaux de tolérance sont peut-être fournis avec l'instrument d'alignement d'arbres par laser que vous avez acheté. Si c'est le cas, vous noterez que ces tableaux tiennent vous renseignent sur les types de machines les plus courants, leur vitesse et, dans certains cas, leur type d'accouplement. Depuis un certain temps déjà, l'American National Standards Institute (ANSI) mène des recherches visant à normaliser les tolérances d'alignement pour les machines à couplage axial. Ce projet de grande envergure ne se concentre pas uniquement sur l'orientation des arbres, mais stipule également les exigences relatives aux facteurs qui affectent l'ensemble de la configuration de la machine et son positionnement. Les grands fabricants de machines se sont associés en nombre au projet, et les travaux en cours constitueront très probablement la base de futures tolérances d'alignement applicables en Amérique du Nord, ainsi que dans le reste du monde. Les tolérances d'alignement sont en effet cruciales lors de l'installation d'une machine. Tout le reste n'est qu'un jeu de spéculations, et ce jeu coûte cher.
