Accouplements dans les systèmes d'entraînement des broyeurs à ciment : exigences d'ingénierie, réalités d'application et solutions de performance

Un accouplement à engrenages — souvent appelé accouplement à denture — fonctionne selon le principe de l'engrènement de dentures externes et internes à profil en développante pour transmettre le couple entre deux extrémités d'arbres. Dans une conception standard, chaque arbre est muni d'un moyeu denté externe, et un manchon cylindrique denté interne s'engage simultanément dans les deux moyeux. La géométrie des dents permettant un faible décalage angulaire et parallèle entre les deux composants en prise, l'accouplement compense intrinsèquement les défauts d'alignement des arbres sans générer de moments de flexion destructeurs sur l'équipement connecté.

Dans la transmission d'un broyeur à boulets de ciment, ce principe de fonctionnement est appliqué à plusieurs points critiques. L'arbre de sortie du moteur électrique est relié à l'arbre d'entrée d'un réducteur par un accouplement ; la sortie du réducteur est reliée à l'arbre du pignon d'attaque du broyeur par un second accouplement. À chaque point de jonction, l'accouplement doit transmettre des couples nominaux pouvant dépasser 500 000 Nm sur les grandes installations, tout en absorbant le jeu angulaire continu qui se développe lorsque les fondations lourdes se tassent, que les cycles thermiques provoquent l'allongement de l'arbre et que l'usure des paliers s'accumule au fil des mois de fonctionnement. L'accouplement à engrenages gère tout cela grâce à un contact lubrifié contrôlé entre les dents : lorsque les flancs des dents glissent légèrement à chaque rotation pour compenser le défaut d'alignement, ils répartissent la charge de manière continue au lieu de concentrer les contraintes en un seul point.

Acier allié (42CrMo4 / 34CrNiMo6)

Matériau standard pour les moyeux et manchons d'accouplement d'engrenages utilisés dans les broyeurs à ciment. Traité thermiquement pour obtenir une dureté superficielle de 55 à 62 HRC sur les flancs des dents, tout en conservant un cœur tenace et ductile. Cette combinaison offre une excellente résistance à la fatigue par piqûres sous les fortes contraintes de contact hertziennes générées lors de la transmission du couple nominal maximal à travers un petit nombre de dents d'engrenage sollicitées simultanément.

Fonte ductile (EN-GJS-600-3)

Utilisé pour la chemise extérieure et les brides des moteurs auxiliaires de cimenterie de moyenne puissance. Il offre d'excellentes caractéristiques d'amortissement des vibrations et son usinage est nettement moins coûteux que celui de l'acier allié, ce qui le rend idéal pour les applications où les pics de couple sont modérés et où la réduction du poids est secondaire.

Élastomères d'étanchéité haute performance (NBR / FKM)

Les joints en caoutchouc nitrile (NBR) sont la norme lorsque la compatibilité avec la graisse lubrifiante est primordiale. Dans les cimenteries, où les températures sont élevées à proximité des zones chaudes du four, on préconise des joints en fluoroélastomère (FKM) résistant à 200 °C. Ces matériaux empêchent la pénétration du lubrifiant et des poussières de ciment — un objectif simple, mais aux conséquences importantes sur la durée de vie des accouplements.

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Densité de couple exceptionnelle

Les accouplements à engrenages transmettent des couples plus élevés par unité de diamètre extérieur que pratiquement tous les autres types d'accouplements flexibles. Pour les broyeurs à boulets de ciment, où les couples nominaux sur l'arbre dépassent couramment 200 000 Nm et où l'espace d'installation est limité par la géométrie de la bride du broyeur, cet avantage en termes de densité de couple n'est pas négligeable ; il constitue souvent le facteur déterminant qui permet à un accouplement à engrenages de s'adapter là où un accouplement à mâchoires ou à disques ne le peut pas.

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Tolérance au désalignement angulaire et parallèle

Les accouplements à engrenages standard tolèrent un désalignement angulaire jusqu'à 1,5° par dent et un décalage parallèle de plusieurs millimètres selon le diamètre d'alésage. Dans les cimenteries, où les vibrations des fondations et les mouvements d'arbre induits par la chaleur sont constants, cette tolérance au désalignement protège les roulements de la boîte de vitesses et du moteur des charges radiales et de flexion supplémentaires qu'imposerait une liaison rigide. Les ingénieurs des usines britanniques de Sheffield et de Birmingham connaissent bien le coût d'une défaillance prématurée des roulements causée par les forces de désalignement transmises par l'accouplement.

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Capacité de surcharge et de charge de choc élevée

Les broyeurs à boulets génèrent d'importantes contraintes de démarrage lors de la mise en mouvement de la charge broyante stationnaire. Les accouplements à engrenages, conçus pour supporter un couple maximal de 2,0 à 3,5 fois le couple nominal, absorbent ces variations transitoires sans subir l'accumulation de dommages par fatigue que connaissent les accouplements à éléments flexibles. Le contact acier sur acier des dents assure une transmission optimale du couple, sans élément absorbant l'énergie susceptible de se dégrader. Ainsi, la capacité de l'accouplement à absorber les chocs ne diminue pas au fil des années, contrairement aux accouplements élastomères.

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Intervalles d'entretien prolongés

Les arrêts de maintenance programmés des cimenteries ont généralement lieu tous les ans ou tous les deux ans. Un accouplement à engrenages correctement lubrifié, équipé de joints adaptés et d'une graisse appropriée, peut fonctionner sans problème pendant toute la campagne annuelle de maintenance, voire jusqu'à deux ans avant le regraissage pour les modèles parfaitement étanches. Cette faible maintenance correspond parfaitement au modèle opérationnel de l'industrie cimentière britannique, où les arrêts non programmés engendrent un coût bien supérieur à la valeur d'achat de l'accouplement lui-même.

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Résistance à la poussière et à la contamination

La conception fermée et étanche d'un accouplement à engrenages correctement spécifié empêche la pénétration de poussière de ciment (un matériau d'une dureté Mohs d'environ 6,0) dans la zone critique d'engrènement. Lorsque des accouplements ouverts ou des alternatives mal étanches laissent passer de la poussière abrasive entre les surfaces d'engrènement, l'usure s'accélère de façon exponentielle et la défaillance de l'accouplement se produit en quelques mois plutôt qu'en quelques années. Des systèmes d'étanchéité IP65 sont disponibles en standard chez les fabricants de qualité, répondant aux exigences de protection de la plupart des cimenteries britanniques.

Scénario d'application 1 : Système d'entraînement principal d'un broyeur à boulets pour ciment

L'entraînement principal du broyeur à boulets est l'application d'accouplement la plus critique dans une cimenterie. Les moteurs primaires, d'une puissance de 1 000 à 6 000 kW, transmettent la puissance, via un réducteur, à l'arbre du pignon du broyeur. Ce dernier s'engrène avec une grande couronne dentée ouverte, boulonnée au cylindre du broyeur. L'accouplement à l'interface moteur-réducteur doit supporter le couple moteur maximal en continu, tout en compensant le léger défaut d'alignement angulaire qui se développe lorsque la structure métallique du broyeur fléchit sous l'effet des charges thermiques et dynamiques au cours d'une campagne de production.

Sur les sites de production de ciment des West Midlands destinés au secteur de la construction et aux grands projets d'infrastructure, la production est continue, ponctuée de brèves interruptions planifiées. Un accouplement à engrenages conçu pour cette application présente généralement un coefficient de service de 1,8 à 2,5 appliqué au couple nominal du moteur, garantissant ainsi des marges de sécurité suffisantes, même lors des démarrages directs où le couple d'appel peut brièvement dépasser 2,5 fois le couple nominal. La capacité de cet accouplement à supporter ce phénomène sans dommage dû à la fatigue, jour après jour et tout au long de l'année, justifie son coût plus élevé par rapport aux alternatives moins performantes.

Scénario d'application 2 : Transmission d'entraînement d'un broyeur vertical à cylindres (VRM)

Les broyeurs à rouleaux verticaux représentent la norme moderne pour le broyage des matières premières et du ciment dans les nouvelles installations au Royaume-Uni et en Europe. Contrairement aux broyeurs à boulets, les broyeurs à rouleaux verticaux transmettent le couple moteur vers le bas par l'intermédiaire d'un arbre vertical, la table de broyage reposant directement sur l'étage de sortie du réducteur. L'accouplement entre le moteur électrique et l'entrée du réducteur du broyeur à rouleaux verticaux fonctionne verticalement et doit supporter non seulement le couple nominal continu, mais aussi les à-coups intermittents générés par le passage de fragments minéraux durs — les nodules de silex constituent un problème connu sur plusieurs carrières de craie britanniques — dans la zone de broyage, provoquant des pics de charge soudains.

Au Royaume-Uni, les accouplements à engrenages pour applications VRM sont souvent spécifiés avec un profil de dent bombé sur toute la largeur de la face d'engrenage, plutôt qu'un simple bombage aux extrémités des dents. Cette géométrie à bombage complet répartit plus uniformément les contraintes de contact sous l'effet de la déviation angulaire, réduisant ainsi la pression hertzienne maximale sur les bords des dents – un critère de conception essentiel car le contact en bordure est la principale cause de défaillance prématurée des accouplements dans les installations verticales où les effets de la gravité engendrent une répartition non uniforme de la charge sur la face d'engrenage.

Scénario d'application 3 : Accouplement d'entraînement de pré-broyage de presse à rouleaux

Les presses à rouleaux, également appelées broyeurs à rouleaux haute pression (BRHP), sont de plus en plus utilisées en amont des broyeurs à boulets dans les cimenteries britanniques, comme étape de pré-broyage permettant de réduire la consommation d'énergie spécifique. Chaque rouleau d'un BRHP est entraîné par un moteur et un réducteur dédiés, via un accouplement. Son fonctionnement est caractérisé par un couple élevé, une vitesse modérée et une charge radiale extrêmement importante sur les roulements des rouleaux, due aux forces de compression interparticulaires. L'accouplement doit donc transmettre le couple nominal tandis que l'arbre de sortie du réducteur se déforme sous l'effet des charges radiales sur les roulements. Cette déformation engendre un défaut d'alignement angulaire continu au niveau de l'engrènement de l'accouplement, défaut qui doit être compensé sans générer de moments de flexion excessifs sur le roulement de sortie du réducteur.

Les ingénieurs des aciéries de Sheffield, chargés du conseil en maintenance pour les cimenteries britanniques, ont constaté que les accouplements d'entraînement des presses à rouleaux figurent parmi les composants les plus fréquemment mal spécifiés dans les installations HPGR. Le choix d'un accouplement dont la capacité de tolérance au désalignement est insuffisante par rapport à la flèche réelle en fonctionnement – ​​qui peut différer sensiblement de l'alignement obtenu lors de l'installation à froid – est responsable d'une part importante des défaillances prématurées des roulements de boîte de vitesses dans ces usines. Un accouplement correctement spécifié, avec une capacité de tolérance au désalignement appropriée, élimine totalement ce type de défaillance.

Scénario d'application 4 : Accouplement de l'entraînement auxiliaire du four et du ventilateur du broyeur de matières premières

Outre les entraînements principaux des broyeurs, les cimenteries comportent de nombreuses applications de transmission de puissance secondaires où les accouplements à engrenages jouent un rôle crucial. Les entraînements auxiliaires des fours – utilisés pour la rotation lente lors de la maintenance et pour le refroidissement contrôlé après les arrêts des fours – fonctionnent à très basse vitesse avec des couples intermittents élevés, ce qui exige des accouplements fiables et conservant leur lubrification même en cas d'utilisation peu fréquente. Les ventilateurs de tirage induit des broyeurs de matières premières, fonctionnant à des débits de 200 000 à 600 000 m³/h, sont entraînés par des moteurs d'une puissance de 300 kW à 2 000 kW via des accouplements qui doivent supporter le fonctionnement à vitesse variable des variateurs de fréquence tout en restant stables à tous les points de fonctionnement sur toute la plage de vitesses.

Au Royaume-Uni, la législation sur l'efficacité énergétique et les mécanismes de tarification du carbone qui affectent les cimentiers ont accéléré l'adoption des variateurs de fréquence (VFD) pour les ventilateurs et les pompes. Les accouplements à engrenages utilisés avec les équipements entraînés par VFD doivent être contrôlés afin de détecter toute résonance de torsion sur toute la plage de vitesses de fonctionnement. En effet, les signaux de sortie des VFD contiennent des harmoniques susceptibles d'exciter les fréquences naturelles de torsion et d'entraîner une fatigue des accouplements, même s'ils sont adaptés à un fonctionnement à vitesse fixe. Cette analyse, qui ajoute un niveau de sophistication technique, est désormais systématiquement intégrée par les équipes d'ingénierie expérimentées des installations britanniques dans leur processus de spécification des accouplements.

Accouplement à ressort serpent série JSA

La série JSA utilise un ressort en acier serpentin à enroulement spécifique, passant à travers des rainures alternées dans deux brides opposées. Cette géométrie de ressort unique offre une flexibilité torsionnelle exceptionnelle, amortissant considérablement les chocs et les fluctuations de couple cycliques qui surviennent lors du démarrage du broyeur à boulets. Cette conception est particulièrement appréciée dans les applications où l'isolation des vibrations entre l'équipement moteur et l'équipement entraîné est primordiale, de même qu'une transmission de couple fiable.

Voir la série JSA →

Accouplement universel série SWC

L'accouplement universel de la série SWC est conçu pour les applications exigeant une importante compensation angulaire entre arbres non parallèles – un défi courant dans les systèmes auxiliaires des cimenteries où les composants d'entraînement sont décalés par des contraintes architecturales ou lorsque l'arbre mené suit une trajectoire non horizontale. Avec des angles de fonctionnement jusqu'à 25° et une construction robuste à joint en croix de Cardan en acier allié, la série SWC assure une transmission de couple fiable et durable, même en cas de déviations angulaires impossibles à compenser avec des accouplements flexibles classiques.

Voir la série SWC →

Ever Power : Capacité de fabrication de précision et de personnalisation

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« Nous avions considéré l'entraînement de la fraiseuse comme une source de problèmes chroniques. L'accouplement à engrenages Ever Power a complètement changé la donne. Dix-huit mois après son installation, aucun arrêt imprévu n'a été imputé à l'accouplement, et la graisse était presque comme neuve lors de l'inspection des douze mois. L'alésage et la rainure de clavette, réalisés sur mesure, ont été usinés conformément à nos plans. »

James R., ingénieur en chef de la mécanique

Usine de broyage de ciment, West Midlands, Royaume-Uni

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« L’assistance technique fournie par Ever Power avant et pendant le choix de l’accouplement a été aussi impressionnante que le produit lui-même. Ils ont posé les bonnes questions concernant notre fréquence de démarrage, l’historique de nos graisses et nos conditions ambiantes — des questions que les fournisseurs généralistes ne pensent jamais à aborder. L’accouplement qu’ils ont recommandé supporte l’entraînement de notre presse à rouleaux sans aucun problème de vibration, quelle que soit la charge. »

Sarah T., responsable de la maintenance des installations

Usine de production de clinker, Yorkshire, Royaume-Uni

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« La livraison sur notre site de Sheffield a été effectuée dans les délais convenus, malgré une commande comprenant des alésages non standard. La précision dimensionnelle des moyeux était excellente ; ils se sont montés directement sur l’arbre de la boîte de vitesses sans aucun usinage de correction sur site, ce qui est crucial lorsqu’on travaille dans un créneau de maintenance planifiée très serré. Nous ferons de nouveau appel à Ever Power pour notre prochain cycle d’approvisionnement. »

Mike H., surintendant des équipements rotatifs

Traitement des minéraux et cimenterie, Sheffield, Royaume-Uni