Banc BALAFRE

Dynamique des éléments fluides à haut Reynolds

Les turbomachines sont utilisées dans de nombreuses applications industrielles. En particulier dans les domaines du spatial et de l’énergie. Leur conception demande une grande maitrise du comportement dynamique de l’ensemble qui a une influence majeure sur le rendement et sur la durée de vie des composants. L’optimisation des turbopompes, par exemple, requiert une grande expertise sur la dynamique des lignes d’arbres. Ces arbres sont souvent supportés par des éléments fluides et des étanchéités du type annulaires ou labyrinthes permettent d’isoler des zones de fluides sous pressions différentes. La bonne connaissance du comportement dynamique de ces composants est très souvent la clé du succès.

Les phénomènes physiques apparaissant au cœur de ces composants fluides sont très compliqués : la faible viscosité des fluides (eau chaude, hydrogène liquide), les grandes vitesses d’écoulement, les jeux assez importants favorisent le développement d’écoulements très turbulents au sein desquels les effets d’inertie du fluide deviennent souvent prépondérant par rapport aux effets visqueux.

Depuis de nombreuses années les chercheurs développent des modèles de calcul adaptées à ces écoulements mais la mise à disposition de mesures expérimentales est maintenant indispensable.

EDF, ALSTOM, CNES et SNECMA et le Laboratoire de Mécanique des Solides ont décidé, il y a maintenant plus de dix ans, de mettre en place à Poitiers un dispositif expérimental de grande envergure.

Une première étape fut de recenser les bancs existants, puis de faire un avant projet. Cet avant projet a permis de mettre en place la stratégie scientifique et financière de ce programme.

Puis le banc BALAFRE (Banc A LAmes Fluide à haut Reynolds) a été conçu, réalisé, et mis en service.

Ce projet recèle de nombreuses innovations technologiques qui ont nécessité des mises au point importantes.

Objectifs du banc

L’objectif principal est d’être capable de caractériser le comportement dynamique d’un élément fluide. Pour ce faire, une perturbation en déplacement, vitesse et accélération est appliquée au composant et la force engendrée par cette perturbation est mesurée. Les déplacements de l’arbre par rapport au stator sont caractérisés par 4 paramètres : 2 translations dans le plan radial (O,x,y) et deux rotations par rapport à x et y (cf. Fig. 1). La perturbation en effort est alors représentée par deux forces et deux moments. Trois matrices de coefficients dynamiques permettent de relier ces deux entités aux perturbations, telles que :

est la matrice de raideur, est la matrice des amortissements et est la matrice de masses.

Le challenge est alors d’être capable d’identifier les 48 coefficients de ces matrices. Ces coefficients sont déterminés pour chaque cas de charge : charge statique sur le composant, vitesse de l’arbre, gradient de pression avant arrière, température du fluide et bien sûr pour chaque géométrie du composant.

Figure 1. Modèle mécanique de la lame fluide

L’objectif du banc d’essais est de :

– Tester des composants industriels au plus proche des conditions réelles de fonctionnement;
– Pouvoir générer, contrôler et mesurer la perturbation dynamique;
– Mesurer les charges induites par la perturbation;
– Mesurer des grandeurs locales (pressions, température,…);
– Mesurer le débit.

Recensement des bancs existants

Un bilan des bancs existants a été effectué au début du projet. Ces bancs sont peu nombreux et ne répondent pas forcément au cahier des charges. La très grande majorité des bancs sont conçus autour d’une architecture avec un rotor monté sur paliers rigide et un stator monté sur structure souple avec des actionneurs. Il n’y a en général qu’un seul de gré de liberté (une translation).

Les bancs les plus intéressants sont ceux qui ont été développés par Kaneko, Hori and Tanaka 1], Kanki 2], Nordman 3] et Childs deTexas A&M 4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale 8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki 2], Nordman 3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.

1], Kanki [2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

2], Nordman [3] et Childs deTexas A&M [4, 5, 6, 7]. La plupart de ces bancs ne sont plus en activité. Le banc de Texas A&M est très intéressant et a donné lieu à de nombreux travaux. Il permet de tourner à très grande vitesse (28 000 rpm), deux pots vibrants exercent des charges de 4500 N à 1000Hz. Le fluide utilisé est de l’eau à 55°C à 6.8 MPa avec un débit de 5.10-3 m3/h.

Choix structuraux

Le banc Balafre a été construit autour d’une structure en porte à faux (le composant à tester est situé en extrémité). Ce choix a été conditionné par des contraintes de démontabilité de façon à pouvoir changer assez rapidement le composant d’essai.

Les principaux choix constructifs sont les suivants :

– Fluide = eau chaude;
– Différence de pression maximale de part et d’autre du joint de 4 MPa;
– Température du fluide de 5 à 50°c;
– Débit d’eau de 0 à 120 m3/h;
– Vitesse de rotation de 300 à 6000 tr/min;
– Nombre de Reynolds supérieur à 150 000;
– Rayon du joint de 50 à 175 mm;
– Jeux radiaux de 0,1 à 1 mm;
– Mésalignement statique de 0 à 1°;
– Excitation vibratoire de 0 à 200 Hz avec un déplacement radial;
– Equivalent à 1/10ème du jeu maximum et un déplacement angulaire de 0,03° maximum;
– Mesure du champ de pression le long de la maquette testée;
– Mesure du champ de température le long de la maquette testée;
– Mesure des actions du fluide sur le stator du joint;
– Mesure des positions du rotor par rapport au stator;
– Modularité du banc.

Un tel cahier des charges nécessite une conception complexe regroupant plusieurs sous ensembles. Les principaux paramètres mécaniques qui doivent être reproduits sont :

– L’excentration et le mésalignement statique
– L’excitation dynamique du joint dans toutes les directions
– La différence de pression amont/aval du joint
– La vitesse de rotation du rotor

Le banc est composé de 4 sous ensembles principaux : le banc proprement dit avec son moteur d’entrainement, la boucle hydraulique, le système de contrôle et la mesure (cf. Fig. 2)

Figure 2. Architecture du banc

Le banc d’essais

La figure 3 présente une coupe du banc. Le composant d’essai, qui comporte un stator et un rotor, est situé à l’avant de la machine. Le principe du banc est de monter la ligne d’arbre dans un palier hydrostatique « rigide » dont le stator est monté sur 8 actionneurs. Le rotor du composant testé (par exemple un joint annulaire) est alors lié à cet arbre (cf. Fig 4). Il peut donc être animé de mouvements dynamiques complexes.

Figure 3. Vue en coupe du banc
Figure 4. Butée conique double effet avec le rotor du composant testé

La double butée hydrostatique

a butée conique hydrostatique double effet (cf. Fig. 5) encaisse les efforts engendrés par la différence de pression qui sont de l’ordre de 200000 N ainsi que ceux provenant de l’excitation dynamique. Elle doit également guider le rotor du joint en rotation. C’est une pièce majeure de la machine (tant par son coût que par son niveau technologique). Elle est réalisée, afin de diminuer sa masse, en alliage de titane (TA6V), et a subi un traitement de surface (Nickel-Kanigen) pour éviter les problèmes de grippage par diffusion du titane.

Le palier est constitué d’une butée hydrostatique conique double effet alimentée avec de l’eau à 15MPa (palier hybride lorsqu’il est en rotation à grande vitesse). Une première surface conique reprend la charge axiale principale et une seconde (la contre butée) permet d’assurer la précharge axiale du système ce qui procure à l’ensemble une très grande raideur (k>109 N/m) axiale et radiale.

es injecteurs de cette double butée conique ont été spécialement étudiés aussi bien de façon numérique qu’expérimentale [8].

Figure 5. Stator et rotor de la butée conique double effet

Les actionneurs piézoélectriques

Les 8 actionneurs piézoélectriques ont été développés spécialement pour cette application par la société SINAPTEC. Les actionneurs ont la particularité d’être très rigides et il est possible de piloter dynamiquement leur position par une tension électrique. 2 plans de 4 actionneurs (cf. Fig. 5) permettent d’obtenir tout une combinaison de perturbations dynamiques (cf. Fig. 6).

Figure 6. Actionneurs piézoélectriques

Figure 7. Excitations dynamiques obtenues par les 8 actionneurs piézoélectrique

La raideur axiale des actionneurs est de l’ordre de 109 N.m. Le déplacement dynamique est de +- 100 µm à 200 hz en générant une charge (par axe) de l’ordre de 20 000 N.

La précharge axiale des actionneurs doit être contrôlée avec soin. Des cales thermiques en aluminium, instrumentées en température, permettent de compenser les dilatations du carter et garantissent ainsi la précharge. Celle-ci est mesurée à l’aide de jauges de contraintes montées sur des cales flexibles.

La boucle hydraulique

Une boucle hydraulique à eau chaude (50°C maximum) permet d’alimenter le dispositif d’essais (cf. Fig. 8).

Figure 8. Boucles hydrauliques

Il s’agit en fait de deux boucles imbriquées :

– Une boucle à 4,5 MPa et 120m3/h qui alimente le joint d’essai;
– Une boucle à 15 MPa et 4,8 m3/h qui alimentent le palier conique.

Le contrôle commande – Acquisition

Le contrôle commande de l’ensemble est un point vital. Il est effectué par un automate superviseur qui envoie des ordres à tous les sous ensembles du banc. Un très grand nombre de paramètres sont surveillés afin de garantir la sécurité de l’installation.

Un rack PXI effectue l’acquisition des données nécessaires à chaque essai : 62 mesures sont ainsi acquises en fonction du temps avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz.

Parmi les signaux enregistrés, il est possible de citer en particulier ceux de :

– 9 capteurs de proximité;
– 3 capteurs d’effort 3 axes;
– 12 accéléromètres;
– 5 capteurs de pression rapidement variables;
– 5 temperatures (PT100);
– 2 débitmètres.

Le déroulement d’un essai s’effectue en respectant les étapes suivantes :

– Démarrage de la boucle 15 MPa (mise en service de la double butée conique);
– Démarrage de la boucle 4,5 Mpa.

Attente de la montée en température

– démarrage du moteur d’entrainement;
– lancement de plusieurs rafales successives (actionneurs piezo) avec acquisition;
– Arrêt moteur;
– Arrêt des boucles hydrauliques.

Un exemple de résultats obtenus avec un composant fluide de type palier sont présentés ci-dessous.

Les résultats ont été obtenus avec les conditions suivantes :

– Excitation de 100hz avec une consigne de déplacement à 80% de la valeur maximale;
– Excitation conique à 100 Hz;
– Jeu radial de 570µm;
– Vitesse de rotation de la machine de 2000tr/min.

La figure 9 présente les mesures des 3 capteurs de déplacement dans les plans 1 en fonction du temps. Les résultats sont représentés pour un cycle de quelques périodes de la perturbation dynamique. Un calcul aux moindres carrés permet de lisser les courbes. C’est avec ce résultat lissé que les trajectoires de la figure 10 sont obtenues.

Figure 9. Signaux des 3 capteurs de déplacement dans le plan 1 en fonction du temps.

Figure 10. Trajectoires du rotor dans les plans 1 et 2.

La figure 11 présente les valeurs mesurées par la balance de forces. Pour mémoire, cette balance est constituée de 3 capteurs tri-axes. Les valeurs de la figure sont obtenues en sommant les composantes des capteurs, en notant que l’axe z est l’axe de rotation de la machine.