Au cœur des équipements industriels massifs se trouve un composant crucial qui assure une transmission de puissance précise : le pignon d'arbre. Cet élément fondamental sert de pivot dans de nombreuses applications industrielles, des compresseurs aux laminoirs, permettant un fonctionnement efficace et fiable des machines complexes.
En tant que composants essentiels des réducteurs industriels (IGC), les pignons d'arbre remplissent la tâche essentielle de transmettre la puissance et de entraîner les charges. Ces arbres s'engrènent généralement avec des engrenages plus grands (connus sous le nom de roues dentées ou d'engrenages principaux) pour former des systèmes de transmission complets. De telles configurations sont largement mises en œuvre dans divers équipements industriels, y compris les compresseurs et les laminoirs, facilitant un transfert de puissance optimal.
Au sein des réducteurs industriels, les pignons d'arbre font preuve d'une remarquable flexibilité fonctionnelle :
La segmentation du carter de l'IGC est directement corrélée à la quantité et au positionnement des pignons. La division principale se produit généralement le long de la ligne médiane de la roue dentée, coïncidant souvent avec les deux premiers pignons. Les troisièmes pignons occupent généralement des divisions supérieures séparées, avec une accommodation potentielle pour les quatrièmes pignons lorsque les dimensions de la volute le permettent. Les pignons entraînés par turbine se positionnent généralement sous le plan de la roue dentée, permettant une insertion axiale par de grandes ouvertures d'assemblage sans nécessiter de divisions de carter supplémentaires.
Les IGC utilisent principalement des engrenages à double enveloppe conçus pour résister à toutes les charges opérationnelles, y compris les conditions de défaut anticipées telles que les courts-circuits des entraînements électriques. Les scénarios de démarrage dictent souvent les limites de conception en fonction de l'inertie de la roue dentée et du pignon. Bien que des paramètres tels que le nombre de dents, l'angle d'hélice et les propriétés des matériaux offrent une flexibilité de conception, d'autres dérivent des calculs des normes API 613, AGMA 6011 et ISO 6336. Ces calculs tiennent compte des scénarios de chargement de face de dent unique ou double, avec des processus itératifs équilibrant la géométrie des dents par rapport aux considérations de largeur et de module d'élasticité. La géométrie finale des engrenages pour le meulage intègre des facteurs potentiels de désalignement et de déflexion de l'arbre.
Au-delà des IGC, les pignons d'arbre permettent de manière critique les systèmes d'entraînement de laminoirs. Les laminoirs broyeurs tournent généralement via des pignons s'engrenant avec des couronnes dentées montées en périphérie. Ces arbres se connectent directement, ou via des embrayages, aux sorties de moteurs synchrones à basse vitesse ou aux sorties de réducteurs. Certains laminoirs utilisent des moteurs à courant continu contrôlés par thyristor pour un fonctionnement à vitesse variable. Les laminoirs massifs entraînés par couronne dentée nécessitent des moteurs doubles avec des systèmes sophistiqués de partage de charge pour équilibrer la sortie de couple entre les pignons entraînés indépendamment.
Les années 1970 ont vu des défis de maintenance croissants avec les grands systèmes d'engrenages de laminoirs, ce qui a conduit au développement d'alternatives d'entraînement sans engrenage. Ces conceptions intègrent des éléments de rotor boulonnés directement aux enveloppes de laminoirs, entourés d'assemblages de stator stationnaires avec une électronique de conversion de fréquence (transformant une entrée de 50/60 Hz en une sortie d'environ 1 Hz). L'enveloppe du laminoir devient essentiellement l'élément rotatif d'un moteur synchrone lent massif, les ajustements de vitesse étant effectués par variation de fréquence pour correspondre aux exigences de broyage du minerai.
Les avantages des entraînements sans engrenage comprennent la capacité de vitesse variable, l'élimination des limitations de puissance, une efficacité élevée, une maintenance réduite et des empreintes compactes. Depuis leurs débuts dans l'industrie minérale en 1981 avec l'installation norvégienne de 8,1 MW à Sydvaranger, ces systèmes ont alimenté des équipements de plus en plus massifs, y compris le laminoir SAG de 12 m de diamètre de Cadia Hill avec une capacité d'entraînement de plus de 20 MW.
Les configurations à roue dentée utilisent des engrenages hélicoïdaux à entraînement direct pour transférer la puissance des entraîneurs primaires à plusieurs roues entraînées par pignon positionnées autour de la circonférence de l'engrenage central. Ceux-ci comportent généralement des arbres de pignon en porte-à-faux avec des roues fermées à une extrémité et des paliers à patins inclinés à l'autre.
L'air atmosphérique entre dans les étages initiaux où la force centrifuge augmente la pression, avec un refroidissement intermédiaire entre les étages. La plupart des conceptions fonctionnent à une vitesse de roue dentée de 3600 tr/min, tandis que les pignons accélèrent progressivement de ~12 000 tr/min (premier étage) à 70 000 tr/min (quatrième étage). Leur conception en porte-à-faux à grande vitesse rend ces compresseurs particulièrement sensibles aux fluctuations de la demande, limitant leur application aux scénarios de charge de base.
Les actionneurs pneumatiques emploient diverses conceptions : cylindres à simple effet avec retour par ressort, cylindres à double effet ou configurations à double cylindre. Tous convertissent le mouvement du piston pneumatique en mouvement de crémaillère qui fait tourner les pignons d'arbre. Les configurations à double cylindre peuvent atteindre trois ou quatre états de positionnement en fonction des orifices sous pression, les unités standard limitant généralement la rotation à ~360° et le couple maximal à environ 400 Nm.
Les systèmes de direction assistée à crémaillère combinent des crémaillères dentées avec des pistons servo à double effet et des vannes rotatives coaxiales avec des arbres de pignon étendus. Des pignons en acier trempé en surface avec des dents hélicoïdales s'engrènent avec des dents droites de crémaillère trempées par induction à des angles de 76°. Les alternatives de direction assistée électrique incorporent des arbres intermédiaires et des joints universels reliant les volants aux arbres de sortie de pignon, l'assistance servo électrique transférant le couple par des mécanismes à vis sans fin.
Grâce à une compréhension et une maintenance appropriées de ces composants critiques, les opérations industrielles peuvent atteindre une fiabilité, une productivité et une efficacité des coûts améliorées dans de nombreuses applications.
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