Accouplements dans les systèmes d'entraînement des broyeurs à ciment : Principes d'ingénierie, applications au Royaume-Uni et guide de sélection

Les corps de moyeu et les manchons des accouplements industriels sont forgés à partir d'aciers alliés au chrome-molybdène à teneur moyenne en carbone, tels que le 42CrMo4, et traités thermiquement pour atteindre une résistance à la traction de 900 à 1 100 MPa. Cette robustesse leur permet de résister aux chocs de démarrage des broyeurs à ciment sans rupture fragile, même aux basses températures ambiantes fréquentes dans les bâtiments extérieurs des usines d'engrenages du nord de l'Angleterre durant l'hiver. Le traitement de trempe et de revenu, associé à un durcissement par induction des flancs des dents, assure une durée de vie de plusieurs décennies, et non de quelques années.

Pour les engrenages des accouplements à engrenages, l'acier 20CrMnTi cémenté, d'une profondeur de cémentation de 0,8 à 1,6 mm et d'une dureté superficielle de 58 à 64 HRC, offre la combinaison optimale de résistance à l'usure et de ténacité. La cémentation résiste à l'abrasion due aux poussières qui pénètrent dans l'engrènement, tandis que le cœur absorbe les contraintes de fatigue en flexion liées aux défauts d'alignement angulaire. Ce matériau est la norme pour les applications d'accouplements les plus exigeantes de l'industrie cimentière mondiale et garantit les longs intervalles d'entretien exigés par les exploitants de cimenteries modernes au Royaume-Uni.

Les accouplements à ressorts serpentins doivent leur souplesse en torsion unique à des ressorts en forme de serpentin fabriqués en acier à ressort au manganèse à haute teneur en silicium, généralement du 60Si2Mn ou un acier EN équivalent. Un traitement thermique, atteignant une dureté de 42 à 48 HRC, est suivi d'un grenaillage de la surface du ressort afin d'introduire des contraintes résiduelles de compression qui prolongent considérablement sa durée de vie en fatigue sous les charges pulsatoires du fonctionnement d'un broyeur à boulets. Ces ressorts sont profilés avec précision sur des centres d'usinage CNC pour garantir des courbes charge-déformation homogènes au sein d'un même lot de production, assurant ainsi des performances identiques pour chaque accouplement.

Les brides d'accouplement, les bagues de protection et les entretoises intermédiaires utilisées dans les applications de moyenne résistance sont fréquemment fabriquées en fonte à graphite sphéroïdal EN-GJS-500-7 (fonte ductile), qui offre une excellente combinaison d'aptitude au moulage pour les géométries complexes, d'usinabilité et de résistance à la traction suffisante (minimum 500 MPa). Lorsque la réduction de poids est importante, par exemple pour les entretoises flottantes des accouplements à grande portée reliant des réducteurs de grande largeur, les pièces moulées en fonte ductile à paroi mince constituent une alternative économique à l'acier forgé, sans compromettre la résistance à la fatigue requise pour le fonctionnement continu d'un broyeur à ciment.

Dans le secteur de la cimenterie, les broyeurs à cru et les broyeurs de finition constituent les principaux équipements de broyage. Ces machines se déclinent en trois configurations principales dans les cimenteries britanniques : le broyeur à boulets classique, le broyeur vertical à rouleaux (VRM) et la presse à rouleaux (RP). Chacune de ces configurations impose des contraintes spécifiques à son accouplement. Le broyeur à boulets, qui demeure la technologie de broyage dominante dans les cimenteries du Derbyshire au comté de Durham, tire la puissance de son moteur principal via un accouplement, un réducteur et une chaîne à engrenages ouverts. La puissance des moteurs principaux dans les cimenteries modernes britanniques varie de 1,5 MW pour les petites installations à 7,5 MW pour les broyeurs de finition les plus importants. L’accouplement doit supporter non seulement ce couple nominal continu, mais aussi le couple de pointe nettement supérieur qui se produit à chaque démarrage du broyeur.

Le comportement mécanique du couple requis par un broyeur à boulets diffère fondamentalement de celui d'une pompe ou d'un ventilateur. Lorsque le broyeur est chargé de clinker, de gypse ou de calcaire brut, la charge contenue dans le tambour crée un important couple de résistance statique qu'il faut vaincre au démarrage. La charge se déplace également lors de l'accélération du broyeur, générant une charge variable qui provoque des résonances de torsion dans la transmission. Les ingénieurs des cimenteries britanniques ont constaté, à leurs dépens, que les accouplements installés sans analyse de torsion adéquate ont tendance à subir des ruptures par fatigue, même à des couples apparemment prudents. En effet, l'amplification dynamique de l'excitation résonante augmente la contrainte de crête réelle de l'accouplement bien au-delà du coefficient de service nominal calculé.

L'accouplement entre le moteur principal et le réducteur primaire d'un broyeur à boulets de ciment est sans doute l'accouplement le plus exigeant techniquement de toute l'industrie des procédés. Soumis à des couples de pointe de 4 à 8 fois le couple nominal à chaque démarrage du broyeur, à la dilatation thermique différentielle entre les fondations du moteur et du réducteur, et aux vibrations de torsion induites par la charge en mouvement, cet accouplement doit être spécifié avec une extrême rigueur. Les accouplements à engrenages à denture bombée sont la solution la plus répandue dans les cimenteries britanniques. Les principaux fabricants préconisent des dentures externes bombées avec un angle de pression de 14° à 20° et des rayons de bombage de 3 000 à 10 000 mm pour compenser un désalignement angulaire allant jusqu'à 1,5° par dent. Pour les usines situées au cœur de la zone industrielle du Staffordshire, où les fondations des broyeurs anciens peuvent avoir subi des tassements inégaux au fil des décennies, cette capacité de compensation angulaire n'est pas une simple marge théorique : elle fait la différence entre un accouplement qui dure dix ans et un autre qui lâche en deux. Les accouplements à ressorts serpentins gagnent du terrain dans ce domaine au sein des petites usines britanniques, où leur souplesse torsionnelle intrinsèque réduit les charges dynamiques sur les roulements de la boîte de vitesses et allonge les intervalles de révision de cette dernière.

Les broyeurs à rouleaux verticaux, de plus en plus privilégiés pour le broyage de la farine crue de ciment sur les sites britanniques en raison de leur gain énergétique (30-40%) par rapport aux broyeurs à boulets, présentent un défi d'ingénierie d'accouplement totalement différent. La transmission d'un broyeur à rouleaux verticaux dispose généralement d'un moteur positionné verticalement ou horizontalement, entraînant un réducteur planétaire ou à engrenages coniques-hélicoïdaux qui transmet le couple directement à la table de broyage via un arbre de sortie vertical. Dans cette configuration, l'accouplement entre le moteur et le réducteur doit compenser la dilatation thermique du moteur dans le plan vertical tout en assurant un certain amortissement des torsions dues aux charges pulsatoires générées par les rouleaux de broyage. Les accouplements universels de la série SWC sont couramment utilisés dans cette application sur les configurations à arbre d'entraînement horizontal, où le désalignement angulaire entre les composants menant et mené peut atteindre 5 à 10° en raison des contraintes géométriques d'installation du broyeur à rouleaux verticaux. Dans une cimenterie moderne des Midlands de l'Est, où les contraintes d'espace imposent des transmissions compactes, la capacité de compensation angulaire d'un accouplement universel à l'entrée du réducteur réduit considérablement le travail d'alignement lors de l'installation et offre une plus grande marge de tolérance lors des futures modifications de l'usine. La capacité du technicien de maintenance à démonter et remonter un accouplement sur site — sans équipement d'alignement de précision ni supervision spécialisée — est un facteur que les équipes d'exploitation britanniques spécifient de plus en plus comme critère d'approvisionnement.

Les presses à rouleaux, utilisées pour le pré-broyage ou le broyage semi-fini dans certaines des cimenteries les plus importantes du Royaume-Uni, génèrent des chocs importants lors du passage de gros nodules de clinker entre les rouleaux contrarotatifs. Un morceau de clinker de 150 mm peut provoquer un pic de couple de 5 à 8 fois la valeur nominale pendant seulement 50 à 200 millisecondes. Pourtant, ce bref événement suffit à entraîner une déformation plastique d'un accouplement sous-dimensionné ou une fissure de fatigue dans une dent d'engrenage mal cémentée. Les solutions d'accouplement pour les entraînements des presses à rouleaux dans les cimenteries britanniques ont évolué vers des conceptions limitant le couple. Celles-ci comportent généralement soit des goupilles de cisaillement qui sacrifient une pièce remplaçable en cas de surcharge, soit des disques de friction qui patinent à un niveau de couple prédéfini et se réengagent automatiquement une fois l'obstacle éliminé. Ces accouplements de protection contre les surcharges exigent que leur mécanisme interne de limitation de couple soit calibré entre 1,5 et 2,5 fois le couple nominal, en dessous du seuil de couple susceptible d'endommager les paliers des rouleaux ou les composants internes de la boîte de vitesses, et au-dessus du couple de fonctionnement maximal afin d'éviter les déclenchements intempestifs lors de variations de charge normales. Les ingénieurs des cimenteries britanniques, soumis à la réglementation relative à la mise à disposition et à l'utilisation des équipements de travail (PUWER), considèrent également les accouplements de limitation de couple comme un dispositif de sécurité essentiel, empêchant les surcharges dangereuses d'atteindre le personnel travaillant à proximité de la machine.

Les accouplements à engrenages à denture bombée atteignent des couples de 3 600 kNm dans un format compact, ce qui en fait la seule solution pratique pour les moteurs de forte puissance des grands broyeurs à boulets de ciment. La charge est répartie sur toute la largeur de la denture, ce qui garantit des contraintes bien inférieures à la limite de fatigue du matériau, même aux couples de démarrage maximaux.

La compensation du désalignement angulaire de 0,5° à 1,5° par engrenage (accouplements à double engagement) et le décalage parallèle jusqu'à 3 mm à la vitesse nominale compensent les déplacements de l'arbre dus à la dilatation thermique et au tassement structurel, sans imposer de charges correctives qui raccourcissent la durée de vie des roulements sur les machines connectées.

La caractéristique de ressort progressif des accouplements à ressort serpentin décale les fréquences de résonance de torsion hors des plages de vitesses de fonctionnement, réduisant considérablement l'amplification dynamique des harmoniques de charge périodiques. Les intervalles de révision des roulements de boîte de vitesses ont été allongés de 40% ou plus sur les sites britanniques suite au passage d'accouplements rigides à des accouplements à ressort serpentin sur les applications à forte inertie.

Les joints à double lèvre en nitrile ou en élastomère fluorocarboné, associés à des chambres de rétention de graisse à labyrinthe, empêchent la pénétration de poussière de ciment tout en retenant la graisse pour engrenages haute viscosité durant tout le cycle de maintenance. L'étanchéité, équivalente à la norme IP55, préserve l'intégrité du film lubrifiant même en présence de fortes concentrations de poussière aux extrémités de sortie des broyeurs dans les cimenteries britanniques.

Le regraissage annuel lors des arrêts programmés des installations – la fréquence de maintenance standard dans les cimenteries britanniques – est la seule intervention de routine requise pour les accouplements à engrenages correctement sélectionnés et installés. Les ressorts de liaison nécessitent uniquement une inspection périodique de leur usure, leur remplacement pouvant être effectué en une seule équipe, ce qui minimise la durée des arrêts planifiés et permet de maîtriser les coûts de main-d'œuvre liés à la maintenance.

Les accouplements équilibrés avec précision permettent d'atteindre des vitesses nominales de 1 000 à 3 000 tr/min côté moteur des entraînements de broyeurs à ciment sans générer d'amplitudes de vibration supérieures aux limites de la norme ISO 10816. La qualité d'équilibrage requise est de classe G6.3 ou supérieure en standard, la classe G2.5 étant disponible pour les vitesses supérieures à 1 500 tr/min sur les entraînements de moteurs bipolaires.

L'accouplement à ressort serpentin de la série JSA utilise un ressort serpentin en aluminium 60Si2Mn profilé avec précision pour offrir une rigidité torsionnelle progressive. Cette caractéristique réduit les charges dynamiques sur les réducteurs et les moteurs connectés dans les applications de broyage de ciment. Avec une capacité de serrage de 0,1 à 355 kNm, la série JSA est idéale pour les entraînements auxiliaires de broyeurs à boulets, les entraînements de fours et les poulies de tête de convoyeur dans les cimenteries britanniques. Le ressort peut être remplacé sur site sans modifier l'alignement de l'arbre, ce qui minimise les temps d'arrêt pour maintenance planifiée.

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L'accouplement universel de la série SWC assure la transmission de couples élevés sur des déports angulaires jusqu'à 45°, ce qui en fait la solution idéale pour les liaisons d'arbres d'entraînement de machines à rouleaux vertical (VRM), d'arbres d'entraînement de bandages de four et de convoyeurs d'alimentation de presses à rouleaux inclinés, où les contraintes géométriques empêchent l'alignement direct des arbres. La conception à joint transversal avec roulements à aiguilles minimise les frottements et les pertes de puissance, tout en offrant une durée de vie comparable à celle des accouplements à engrenages pour les applications à vitesse modérée. Les accouplements SWC, d'une capacité de 2 000 kNm, sont disponibles avec des diamètres d'alésage et des profils de rainure de clavette personnalisés pour répondre aux spécifications de toutes les boîtes de vitesses des cimenteries britanniques.

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Ever Power exploite une usine de fabrication d'accouplements à la pointe de la technologie, équipée de centres d'usinage CNC de dernière génération, de rectifieuses d'engrenages de précision et de lignes de traitement thermique automatisées. Chaque accouplement qui sort de l'atelier de production d'Ever Power est fabriqué selon les procédures de gestion de la qualité ISO 9001:2015, avec une traçabilité complète des matériaux, de la billette d'acier brute à l'assemblage fini et testé. Pour les exploitants de cimenteries britanniques qui se procurent des accouplements de remplacement ou de mise à niveau, cette traçabilité fournit la piste d'audit requise par les référentiels d'assurance qualité BS EN ISO 9001 et répond aux exigences de l'organisme britannique de santé et de sécurité au travail (HSE) en matière d'intégrité mécanique documentée dans les installations de procédés lourds.

La force principale de l'équipe d'ingénierie d'Ever Power réside dans la personnalisation sur mesure. Lorsqu'une cimenterie à Birmingham ou un exploitant de carrière dans le Peak District a besoin d'un accouplement qui ne correspond pas aux paramètres standard du catalogue (diamètre d'alésage non standard, profil de rainure de clavette inhabituel pour s'adapter à une boîte de vitesses ancienne, dimension face à face spéciale pour s'adapter à un carter d'accouplement existant ou exigence d'un schéma de boulonnage de bride spécifique), les ingénieurs d'application d'Ever Power travaillent directement avec l'équipe mécanique du client pour développer une solution parfaitement adaptée, sans nécessiter de modification des machines connectées. Les délais de livraison pour les accouplements conçus sur mesure sont généralement de 4 à 8 semaines entre l'approbation du plan et la livraison, avec une production accélérée disponible pour les commandes de remplacement urgentes lorsque les coûts d'arrêt de production justifient une planification prioritaire.

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« L'approche de l'équipe d'Ever Power était totalement différente de tout ce que nous avions connu avec d'autres fournisseurs de raccords. Ils ne se sont pas contentés d'envoyer un catalogue : ils sont venus sur place, ont tout mesuré et nous ont remis un rapport technique avant de nous faire un devis. Les raccords fonctionnent maintenant depuis 26 mois sans le moindre problème. Le coût total de possession est bien inférieur à ce que nous dépensions auparavant en remplacements fréquents. »

« Nous avons spécifié un diamètre d'alésage sur mesure et une géométrie de rainure de clavette particulière pour l'adapter à l'arbre de sortie de notre boîte de vitesses. L'équipe d'ingénierie d'Ever Power a validé les plans en moins d'une semaine et a livré les accouplements finis dans le délai de six semaines annoncé. La précision dimensionnelle était exceptionnelle : l'alésage était conforme à la valeur cible à 0,01 mm près et l'accouplement s'est monté parfaitement du premier coup. »

« L’accouplement à ressort serpentin installé sur notre entraînement auxiliaire de four a complètement résolu le problème de vibrations que nous subissions depuis trois ans. La souplesse en torsion de la série JSA absorbe les pulsations dues aux vibrations de la paroi du four sans les transmettre à la boîte de vitesses. La température de l’huile de notre boîte de vitesses a baissé de 8 °C et le niveau de vibrations au niveau des paliers du moteur a diminué de plus de 501 TP4T. »