Vitesse critique est la vitesse de rotation à laquelle la fréquence naturelle d'un rotor coïncide avec sa vitesse de fonctionnement, produisant une amplification vibratoire par résonance qui peut aller d'une simple nuisance à un événement destructeur pour la machine. Tout équipement rotatif muni d'un arbre possède une ou plusieurs de ces vitesses, et connaître leur position par rapport à la plage de fonctionnement est essentiel pour la spécification, la mise en service et le dépannage de l'équipement.
Un rotor est un système masse-élastique supporté par des roulements qui se comportent comme des ressorts et des amortisseurs, il possède donc des fréquences naturelles auxquelles il vibrera s'il est excité. L'excitation dominante est le déséquilibre, une force qui tourne en synchronisme avec l'arbre et qui croit avec le carré de la vitesse. Lorsque la vitesse de rotation égale une fréquence naturelle, la force de déséquilibre injecte de l'énergie dans ce mode à chaque révolution et l'amplitude des vibrations augmente fortement : c'est la vitesse critique. En dehors de cette zone, la raideur et l'inertie contrôlent la réponse ; à proximité, l'amortissement détermine l'ampleur du pic.
Un rotor flexible présente une série infinie de formes de modes de flexion, bien que seules les premières importent dans la plage de vitesse de la plupart des machines.
La raideur des roulements, la flexibilité des supports et les effets d'accouplement déplacent ces fréquences par rapport aux valeurs théoriques du seul arbre, c'est pourquoi l'analyse doit modéliser l'ensemble roulements et support, et pas seulement l'arbre.
La classification est importante car elle change la manière dont la machine doit être équilibrée et analysée :
| Classe de rotor | Définition | Exemple type | Approche d'équilibrage |
|---|---|---|---|
| Rotor rigide | En dessous d'environ 70–75 % de la première vitesse critique | Petites pompes, ventilateurs, moteurs basse vitesse | Équilibrage en un ou deux plans à basse vitesse |
| Rotor flexible | S'approche, égale ou dépasse une vitesse critique de flexion | Compresseurs multistages, turbines à vapeur, générateurs | Équilibrage multiplan plus analyse rotordynamique |
| Rotor quasi-flexible | Environ 75–100 % de la première critique | Certaines pompes et soufflantes haute vitesse | Au cas par cas ; souvent traité comme flexible |
Un rotor rigide à basse vitesse peut devenir un problème de rotor flexible si un variateur de fréquence (VFD) le pousse dans une plage supérieure, voilà pourquoi les modernisations par VFD méritent une revue rotordynamique, pas seulement une vérification du moteur et du variateur.
La plupart des machines ayant une vitesse critique inférieure à la vitesse de fonctionnement traversent cette résonance deux fois à chaque cycle d'exploitation : une fois en accélérant, une fois en ralentissant. L'amplitude pendant le transit dépend du taux d'accélération et de l'amortissement sur ce mode, ce qui explique pourquoi on évite les maintiens en rotation lente à proximité d'une vitesse critique. Les roulements à film d'huile ajoutent généralement plus d'amortissement que les roulements à éléments roulants, limitant le pic, mais apportent une raideur dépendante de la vitesse qui doit être incluse dans l'analyse. Vérifiez l'état du film d'huile parallèlement aux données de vibration ; voir notre guide sur les régimes de lubrification.
Le diagramme de Campbell trace la fréquence naturelle du rotor (et ses harmoniques) en fonction de la vitesse de rotation. La ligne 1X représente la fréquence de la force de déséquilibre, qui par définition égale la vitesse de fonctionnement ; là où elle croise une courbe de fréquence naturelle, on a une vitesse critique. On ajoute souvent des lignes pour 2X et d'autres harmoniques pour tenir compte du désalignement, du jeu, du dentement d'engrenage ou du passage de pales. La raideur des roulements change avec la vitesse dans les systèmes à film d'huile, si bien que les courbes de fréquence ne sont pas plates et que le diagramme doit être construit sur l'ensemble de la plage de fonctionnement. Le lire en parallèle des tendances de vibration vaut mieux que de se fier à l'amplitude seule ; voir nos revues de la gravité des vibrations ISO 10816-3 et des zones de gravité des vibrations ISO 20816.
La marge de séparation (SM) est l'écart requis entre les vitesses critiques d'un rotor et sa plage de fonctionnement, exprimé en pourcentage, de sorte que les variations normales de raideur, de masse ou d'amortissement ne puissent pas faire entrer une vitesse critique dans la plage.
API 610 (pompes centrifuges pour les industries pétrolière, pétrochimique et du gaz naturel) exige une marge de séparation minimale entre la plage de vitesse de fonctionnement et la vitesse critique la plus proche, communément citée entre 10 et 20 % selon que la critique se situe au-dessus ou en dessous de la bande. API 684 (le tutoriel de rotodynamique référencé par API 610, 612 et 617) décrit la méthode d'analyse, y compris la vitesse critique non amortie, la réponse de déséquilibre amortie et l'analyse de stabilité, et lie la marge à un facteur d'amplification (AF) issu du pic de réponse : une réponse très pointue et faiblement amortie nécessite une marge plus grande qu'une réponse large et bien amortie.
Suivre les transitoires de vibration au démarrage et à la décélération, parallèlement à l'état des roulements et aux relevés d'alignement, transforme une étude rotodynamique ponctuelle en un programme de fiabilité continu. Enregistrer ces signatures en regard de l'historique de maintenance dans un système comme Fabrico permet de détecter une montée progressive de l'amplitude en vitesse critique, souvent premier signe d'usure de roulement ou de frottement d'étanchéité, avant qu'elle ne provoque un déclenchement. Réservez une démo Fabrico pour voir comment les données d'état et l'historique des ordres de travail se connectent en un seul endroit.
Non. Un fonctionnement continu à cette vitesse soutient l'amplification par résonance et peut provoquer des dommages rapides aux étanchéités, roulements ou accouplements. Les machines disposent d'une marge de séparation pour éviter cela ; si une vitesse critique dérive dans la plage à cause de l'usure, il faut en rechercher la cause première.
La vitesse critique est un mode de flexion du rotor excité par le déséquilibre synchrone. Les fréquences naturelles des roulements ou des supports sont des résonances distinctes dans les pièces stationnaires, bien qu'elles interagissent avec les modes du rotor via la raideur.
L'équilibrage réduit la force de déséquilibre qui excite le mode, diminuant l'amplitude du pic, mais il ne déplace pas la vitesse critique elle‑même. Si elle se situe trop près de la plage, la solution est un changement de conception de la raideur, de la masse ou du support des roulements.
Le variateur lui-même ne change pas les fréquences naturelles du rotor, mais le fait de faire fonctionner la machine sur une plage de vitesses plus large augmente la probabilité qu'une vitesse critique se retrouve à l'intérieur de la nouvelle bande. Toute modernisation par variateur de fréquence d'un équipement non conçu pour la variation de vitesse devrait inclure une revue rotodynamique.
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