Accouplements flexibles : types, critères de sélection et normes

Que sont les accouplements flexibles et pourquoi sont-ils essentiels dans la transmission de puissance ?

Accouplements flexibles sont des dispositifs mécaniques qui relient deux arbres rotatifs - généralement un entraînement (moteur, moteur ou turbine) et une machine entraînée (pompe, compresseur, boîte de vitesses ou générateur) - tout en s'adaptant au désalignement entre les axes de l'arbre, en amortissant les vibrations de torsion et en protégeant les équipements connectés des charges de choc. Contrairement aux accouplements rigides, qui nécessitent un alignement d'arbre presque parfait et transmettent toutes les forces dynamiques directement entre les arbres, les accouplements flexibles introduisent un élément souple (caoutchouc, polyuréthane, membrane métallique ou fluide) qui absorbe le désalignement et atténue la transmission des charges dynamiques nocives.

L'importance mécanique des accouplements flexibles s'étend bien au-delà de leur fonction de simples connecteurs. Dans tout système de machines tournantes, le désalignement de l'arbre, qu'il soit angulaire, parallèle (décalage) ou axial, génère des charges sur les roulements, une usure des joints et des vibrations qui réduisent la durée de vie de la machine et augmentent les coûts de maintenance. Même dans des installations soigneusement alignées, la dilatation thermique pendant le fonctionnement et la déflexion dynamique sous charge provoquent un désalignement au fil du temps. Des études réalisées par des organismes de fiabilité des machines indiquent que le mauvais alignement est responsable d'environ 50 % de toutes les pannes de machines tournantes. , ce qui fait de la capacité de compensation du désalignement de l'accouplement flexible l'une des propriétés les plus significatives sur le plan commercial dans la transmission de puissance industrielle.

Le marché mondial des accouplements flexibles était évalué à environ 3,2 milliards de dollars en 2023, desservant les industries du pétrole et du gaz et de la production d'électricité en passant par la transformation des aliments, le traitement de l'eau et la propulsion marine. La sélection du type d'accouplement approprié pour une application donnée (en faisant correspondre sa rigidité en torsion, sa capacité de désalignement, son indice de vitesse et sa compatibilité environnementale aux exigences du système) est une décision technique cruciale ayant des implications directes sur la fiabilité du système, les intervalles de maintenance et le coût total du cycle de vie.

Principaux types d'accouplements flexibles

Les accouplements flexibles sont classés selon la nature de leur élément flexible, le composant qui permet de compenser le désalignement et d'amortir les vibrations. Chaque type offre une combinaison distincte de capacité de couple, de tolérance de désalignement, de rigidité en torsion et de caractéristiques opérationnelles qui le rend adapté à des classes d'applications spécifiques.

Accouplements à mâchoires (araignées)

Les accouplements à mâchoires sont constitués de deux moyeux métalliques avec des saillies de mâchoires imbriquées séparées par un élément araignée en élastomère – généralement en polyuréthane ou en caoutchouc – qui transmet le couple par compression de ses lobes entre les mâchoires. Il s'agit du type d'accouplement le plus largement utilisé dans les applications industrielles générales, apprécié pour sa simplicité, son faible coût, sa facilité de remplacement (l'araignée peut être changée sans déplacer les machines connectées) et son amortissement efficace des vibrations. Les accouplements à mâchoires standard acceptent un désalignement angulaire jusqu'à 1°, un désalignement parallèle jusqu'à 0,5 mm et un désalignement axial dans la plage de compression de l'araignée. La dureté de l'élément araignée (duromètre Shore A) détermine la rigidité en torsion et les caractéristiques d'amortissement de l'accouplement. — des araignées plus souples (Shore 80A) offrent une meilleure isolation vibratoire ; les araignées plus dures (Shore 98A ou polyuréthane) offrent une capacité de couple plus élevée et un enroulement réduit au prix d'un amortissement réduit.

Accouplements à disque

Les accouplements à disques transmettent le couple via une série de disques métalliques minces - généralement en acier inoxydable ou en Inconel - disposés en paquet et boulonnés alternativement aux brides d'entraînement et d'entraînement. Le couple est transmis sous forme de tension et de compression du paquet de disques lorsque l'accouplement tourne, tandis que les disques fléchissent pour s'adapter au désalignement. Les accouplements à disques sont rigides en torsion (sans enroulement ni jeu), ne nécessitent aucune lubrification et fonctionnent efficacement à des températures cryogéniques jusqu'à plus de 300 °C, ce qui en fait la spécification préférée pour les turbomachines à grande vitesse, les machines-outils de précision et les applications de servocommandes. Ils permettent un désalignement angulaire jusqu'à 0,5° par paquet de disques et un désalignement parallèle grâce à l'utilisation de configurations d'espacement à double paquet de disques.

Accouplements à engrenages

Les accouplements à engrenages utilisent des moyeux à engrenages à dents externes engrenant avec des manchons à dents internes pour transmettre le couple, la géométrie du profil des dents permettant un désalignement angulaire et parallèle par contact glissant entre les surfaces des dents correspondantes. Ils offrent la densité de couple la plus élevée de tous les types d'accouplements flexibles (les accouplements à engrenages peuvent transmettre des couples dépassant 2 000 000 Nm dans les grandes configurations industrielles) et constituent la spécification standard pour les industries lourdes, notamment les aciéries, les équipements miniers et les grands entraînements de pompes. L'exigence d'une lubrification périodique (graisse ou huile) constitue la principale charge de maintenance des accouplements à engrenages, et le manque de lubrification adéquate est la cause la plus fréquente de défaillance prématurée des accouplements à engrenages en service.

Accouplements à membrane (diaphragme)

Les accouplements à membrane utilisent un ou plusieurs diaphragmes métalliques minces (généralement un seul diaphragme alambiqué ou un pack à plusieurs diaphragmes) pour compenser le désalignement dû à la flexion du matériau du diaphragme. Comme les accouplements à disque, ils sont rigides en torsion, sans lubrification et capables de fonctionner à grande vitesse. Les accouplements à membrane sont particulièrement appréciés dans les applications de compresseurs et de pompes de l'industrie de transformation où la combinaison d'une vitesse élevée, d'une température élevée et de l'exigence d'une maintenance nulle dans des installations inaccessibles rend les accouplements élastomères et métalliques lubrifiés inappropriés. Ils supportent un désalignement angulaire plus élevé que les accouplements à disque (jusqu'à 1° par élément) tout en conservant la rigidité en torsion.

Accouplements de pneu (pneu)

Les accouplements de pneus utilisent un élément en caoutchouc toroïdal – en forme de beignet ou de section transversale de pneu – boulonné entre deux moyeux à bride. La forme de l'élément en caoutchouc lui permet de fléchir dans toutes les directions simultanément, offrant ainsi une adaptation exceptionnelle aux désalignements (désalignement angulaire jusqu'à 4°, désalignement parallèle jusqu'à 3 mm dans les grandes tailles) et une isolation vibratoire exceptionnelle. Ils sont préférés dans les applications soumises à des chocs importants et à un désalignement important, notamment les entraînements de concasseurs, les compresseurs alternatifs et les systèmes de propulsion marins où la flexibilité des fondations provoque un désalignement dynamique important pendant le fonctionnement.

Accouplements fluidiques

Les accouplements hydrauliques transmettent le couple de manière hydrocinétique via un fluide de travail (généralement de l'huile minérale) circulant entre une roue (entraînement) et une roue (entraînée) contenue dans un boîtier étanche. Ils limitent intrinsèquement le couple transmis au démarrage (protégeant les moteurs des courants d'appel élevés et les machines entraînées des chocs lors du démarrage) et assurent le glissement entre les arbres d'entrée et de sortie, absorbant les différences de vitesse et les vibrations de torsion. Les raccords hydrauliques à remplissage variable, qui ajustent le volume de fluide de travail pour contrôler la vitesse de sortie, sont utilisés pour le démarrage progressif et le contrôle de la vitesse des grands entraînements de convoyeurs, des systèmes de ventilateurs et des applications de pompes.

Paramètres de performance et critères de sélection

Processus de sélection technique : au-delà de l'évaluation du couple

La sélection d'un accouplement flexible uniquement sur la base du couple nominal (en faisant correspondre le couple nominal de l'accouplement au couple de sortie indiqué sur la plaque signalétique du conducteur) est une approche qui entraîne souvent une défaillance prématurée de l'accouplement ou une protection inadéquate du système. Un processus de sélection rigoureux tient compte simultanément du facteur de service, de la dynamique du système de torsion, des charges de désalignement, de la vitesse et des conditions environnementales.

Application du facteur de service

Le facteur de service (SF) multiplie le couple nominal transmis pour établir le couple d'accouplement requis, en tenant compte du caractère de charge dynamique de l'application. AGMA et les fabricants d'accouplements publient des tableaux de facteurs de service basés sur la combinaison du type d'entraînement (moteur électrique, moteur diesel ou turbine) et du type de machine entraînée (pompe centrifuge, compresseur alternatif ou concasseur). Les facteurs de service vont de 1,0 pour des charges douces et uniformes avec des entraînements par moteur électrique à 3,0 ou plus pour des charges de choc lourdes avec des moteurs alternatifs multicylindres. — ce qui signifie qu'une application de couple nominal de 100 Nm pourrait nécessiter un accouplement évalué à 300 Nm lorsque les facteurs de service sont correctement appliqués.

Analyse de fréquence naturelle de torsion

Chaque train de machines tournantes a des fréquences propres de torsion déterminées par les moments d'inertie de masse des composants rotatifs et la rigidité en torsion des arbres de liaison et des accouplements. Si une fréquence naturelle de torsion coïncide avec une fréquence d'excitation comprise dans la plage de vitesse de fonctionnement (fréquence de passage des pôles du moteur, fréquence d'engrenage ou fréquence d'allumage du moteur alternatif), une résonance se produit, générant des amplitudes de vibration de torsion qui peuvent rapidement fatiguer les éléments d'accouplement et les arbres connectés. La rigidité en torsion de l'accouplement est la principale variable de conception dont dispose l'ingénieur pour éloigner les fréquences naturelles de torsion des excitations de fonctionnement. Pour les applications critiques, une analyse de torsion à l'aide d'un logiciel tel qu'ANSYS ou Rotor-Dynamics doit être effectuée avant que les spécifications de l'accouplement ne soient finalisées et que le fabricant de l'accouplement soit consulté sur les valeurs de rigidité en torsion des produits candidats.

Capacité de désalignement par rapport au désalignement résiduel

Une idée fausse courante est que la capacité de désalignement d'un accouplement représente le désalignement cible de l'installation. En fait, la capacité de désalignement de l'accouplement est le désalignement maximal autorisé sous lequel l'accouplement fonctionnera sans défaillance — et un fonctionnement continu avec un désalignement maximal génère des charges sur les roulements, de la chaleur et une fatigue des éléments d'accouplement qui réduisent considérablement la durée de vie. Les meilleures pratiques alignent les machines dans une plage de 20 à 30 % de la capacité de désalignement nominale de l'accouplement lors de l'installation, ce qui laisse une marge pour l'augmentation du désalignement opérationnel dû à la dilatation thermique et au tassement des fondations.

Considérations relatives à la vitesse et à la vitesse critique

Les arbres d'espacement d'accouplement flexible — l'arbre intermédiaire reliant deux paquets de disques ou deux éléments d'engrenage dans une configuration d'accouplement d'espacement — ont une vitesse critique latérale qui doit être supérieure à la vitesse de fonctionnement maximale avec une marge de séparation adéquate (généralement 20 % minimum selon API 671). Pour les applications de turbomachines à grande vitesse, les fabricants d'accouplements effectuent des calculs de vitesse critique latérale dans le cadre de l'ensemble des données d'ingénierie et certifient que l'accouplement fourni répond aux exigences de marge de séparation spécifiées.

Normes spécifiques à l'industrie et exigences API

Les accouplements flexibles utilisés dans l'industrie de transformation, la production d'énergie et les applications marines sont soumis à des normes industrielles strictes qui définissent des exigences de conception, de matériaux, de tests et de documentation au-delà de celles des accouplements industriels généraux.

• API 671 (Accouplements à usage spécial pour les services de l'industrie pétrolière, chimique et gazière) : La principale norme pour les accouplements utilisés dans les turbomachines de l’industrie de transformation. Nécessite une conception d'élément métallique rigide en torsion (disque ou diaphragme), un équilibre G2,5 ou supérieur selon la norme ISO 1940-1, une analyse de la vitesse critique latérale et une documentation complète de traçabilité des matériaux. Les accouplements API 671 doivent être capables de transmettre 177 % du couple nominal sans défaillance (équivalent à un facteur de service de 1,77 intégré à la norme).
• AGMA 9000 et 9001 : Normes de l'American Gear Manufacturers Association couvrant la classification, la sélection et les exigences de lubrification des accouplements flexibles. AGMA 9000 fournit le cadre de couplage des facteurs de service largement référencés dans les applications industrielles générales.
• OIN 14691 : Norme internationale pour les accouplements flexibles pour les applications industrielles générales, couvrant les critères de sélection, la terminologie du désalignement et les tests de performances — fournissant un cadre pour la comparaison et la sélection des accouplements en dehors du contexte de l'industrie de transformation couvert par l'API 671.
• ATEX/IECEx : Pour les accouplements installés dans des atmosphères explosives, la certification ATEX (UE) ou IECEx vérifie que la conception et les matériaux de l'accouplement ne créent pas de sources d'inflammation dans des conditions de défaut normales ou prévisibles. Les accouplements en élastomère nécessitent des éléments araignées antistatiques (résistivité de surface ≤10⁹ Ω) pour empêcher les décharges électrostatiques dans les environnements ATEX Zone 1 et Zone 2.

Maintenance, analyse des pannes et optimisation de la durée de vie

Les exigences de maintenance des accouplements flexibles varient considérablement selon le type, mais tous les accouplements bénéficient d'un programme structuré d'inspection et de surveillance de l'état qui identifie les problèmes en développement avant qu'ils n'entraînent des temps d'arrêt imprévus ou des dommages secondaires à la machine.

Pour les accouplements en élastomère (types à mâchoires, à pneus et à bagues), le principal élément de service est l'élément flexible. Les éléments en caoutchouc et en polyuréthane se dégradent sous l'effet de la fatigue, des attaques chimiques dues à la contamination par l'huile et la graisse et du vieillissement thermique. L'inspection visuelle à intervalles de maintenance planifiés - à la recherche de fissures, d'éclatements, de déformations rémanentes à la compression ou de détérioration de la surface de l'étoile ou de l'élément du pneu - permet le remplacement de l'élément avant la défaillance. Des intervalles de remplacement des éléments élastomères de 1 à 3 ans sont typiques en service industriel continu , bien que la durée de vie réelle varie considérablement en fonction de la gravité des conditions de fonctionnement et du degré de désalignement du système.

Pour les accouplements à éléments métalliques (disque et diaphragme), l'inspection périodique du jeu de disques pour détecter les fissures de fatigue, les piqûres de corrosion et la rétention du couple de fixation est la principale exigence de maintenance. L’inspection des paquets de disques par ressuage à intervalles de révision majeurs est une pratique courante dans les applications critiques de turbomachines. Les ruptures de fatigue des disques commencent généralement au niveau des trous de boulons (le point de concentration de contraintes le plus élevé) et se propagent radialement, entraînant une perte soudaine de l'intégrité du paquet de disques. La conséquence d'une défaillance du paquet de disques dans les machines à grande vitesse peut inclure des dommages catastrophiques à l'équipement si l'accouplement défaillant n'est pas contenu, ce qui fait de l'inspection du paquet de disques une tâche de maintenance critique pour la sécurité.

La surveillance en ligne de l'état des accouplements flexibles grâce à l'analyse des vibrations (suivi des changements dans les amplitudes et les phases de vibration à vitesse de fonctionnement 1× et 2× qui caractérisent le désalignement) permet une évaluation continue de l'état de l'accouplement et de l'alignement sans arrêt. Des augmentations significatives de l'amplitude des vibrations 2 × ou des changements dans la relation de phase entre les machines couplées indiquent fréquemment un désalignement ou une dégradation des éléments d'accouplement, fournissant un avertissement préalable qui permet de planifier et de planifier la maintenance plutôt que de réagir.