Fonctionnement du système d'entraînement de la tête de coupe du tunnelier — 8 à 20 entraînements partageant une seule couronne dentée
La tête de coupe du tunnelier est un disque d'acier massif (de 3 à 17 mètres de diamètre) équipé de fraises (pour la roche) ou de dents et de racleurs (pour les terrains meubles). Ce disque doit tourner en continu à mesure que le tunnelier avance, et le couple nécessaire pour le faire tourner contre la paroi rocheuse est énorme : de 10 000 à 50 000 kN·m pour les tunneliers de grand diamètre destinés à la roche. réducteur planétaire à entraînement de rotation peut générer ce couple à lui seul.
La tête de coupe est équipée d'une grande couronne dentée interne, et 8 à 20 entraînements de rotation individuels sont montés autour du bouclier du tunnelier. Chaque entraînement actionne un pignon qui s'engrène avec cette couronne. En théorie, le couple total est réparti équitablement entre les entraînements ; en pratique, il est réparti proportionnellement selon l'état de chaque entraînement et l'équilibre hydraulique ou électrique. Cette architecture multi-entraînements est unique parmi toutes les applications de rotation : aucune grue, aucune excavatrice et aucun système d'antenne n'utilise autant d'entraînements indépendants sur une seule couronne dentée.
La répartition de la charge entre les entraînements n'est pas automatique ; elle doit être gérée activement. Dans un système d'entraînement hydraulique, le débit d'huile vers chaque moteur est dosé par un diviseur de débit ou contrôlé par des électrovannes. Dans un système d'entraînement électrique, chaque moteur est piloté par son propre variateur de fréquence (VFD) avec limitation de courant afin d'éviter qu'un moteur n'absorbe plus que sa part proportionnelle. Lorsqu'un entraînement s'use plus vite que les autres (en raison de sa position par rapport aux variations de dureté du sol), il consomme moins de courant ou accepte un débit inférieur, et les entraînements adjacents doivent compenser. Le système d'équilibrage hydraulique ou électrique est aussi crucial pour la durée de vie de l'entraînement que le réducteur lui-même.
Mathématiques de redondance : Si l'un des douze entraînements d'un système tombe en panne, les onze autres absorbent chacun 91 TP3T de charge supplémentaire, ce qui reste dans les limites du facteur de sécurité de 1,5. Deux pannes simultanées portent la surcharge par entraînement à 181 TP3T, toujours gérable. Trois pannes atteignent 271 TP3T, approchant la limite du facteur de sécurité et nécessitant une réduction immédiate de la vitesse d'avancement. L'architecture multi-entraînements constitue la principale protection d'un tunnelier contre les arrêts souterrains.
La répartition de la charge entre les entraînements n'est pas automatique ; elle nécessite une gestion active. Dans un système d'entraînement hydraulique, le débit d'huile vers chaque moteur est dosé par un diviseur de débit ou contrôlé par des électrovannes proportionnelles individuelles. Dans un système d'entraînement électrique, chaque moteur est piloté par son propre variateur de fréquence avec limitation de courant afin d'éviter qu'un moteur n'absorbe plus que sa part proportionnelle. Lorsqu'un entraînement s'use plus rapidement que les autres (en raison de sa position par rapport aux variations de dureté du sol), il consomme moins de courant ou accepte un débit inférieur, et les entraînements adjacents doivent compenser.
L'engrènement pignon-couronne influe également sur la répartition de la charge. Si les pignons sont régulièrement espacés autour de la couronne, chacun s'engrène avec une section différente de celle-ci. Toute excentricité ou erreur de pas de denture de la couronne engendre une variation de charge systématique qui se répète à chaque rotation de la tête de coupe. Des couronnes de haute qualité, conformes à la norme DIN Classe 6 en termes de précision de pas, sont indispensables pour une répartition uniforme de la charge. Une couronne de classe 8 peut engendrer des variations de charge par pignon de 15 à 251 TP3T au-dessus de la moyenne, soit l'équivalent d'une perte de capacité équivalente à celle de 2 à 3 entraînements, due à la seule erreur de denture.
Types de tunneliers et exigences relatives à l'entraînement des têtes de coupe
Les spécifications du système d'entraînement de la tête de coupe dépendent fondamentalement du type de tunnelier — chacun étant conçu pour des conditions de terrain différentes et imposant des exigences différentes au système d'orientation.
Cette machine découpe la roche avec une résistance à la compression uniaxiale (UCS) de 50 à plus de 300 MPa grâce à des disques de coupe. Le couple de la tête de coupe est très élevé (15 000 à 50 000 kN·m) mais relativement stable. Les disques de coupe génèrent des forces radiales produisant des vibrations continues à basse fréquence transmises par la couronne dentée. Les entraînements fonctionnent en milieu ouvert (non pressurisé) ; aucune étanchéité à la boue n'est requise, mais de la poussière de roche et des infiltrations d'eau souterraine sont présentes.
Fonctionnant en terrain meuble, cette machine est équipée d'une chambre pressurisée de terre conditionnée située derrière la tête de coupe. Le couple est plus faible (3 000 à 15 000 kN·m), mais les entraînements fonctionnent derrière une cloison étanche pressurisée à une pression de 1 à 5 bars. L'étanchéité est primordiale : toute fuite entraîne l'infiltration de boues sous pression dans la boîte de vitesses, et toute perte de pression au front de taille risque de provoquer un effondrement du terrain. La terre conditionnée est très abrasive et chimiquement agressive (pH 10 à 12).
Utilise une suspension de bentonite sous pression (2 à 6 bars) pour soutenir le front de taille. Cette suspension est extrêmement abrasive (fragments de roche projetés à grande vitesse) et corrosive. Les joints d'étanchéité doivent résister simultanément à la pression et à l'abrasion pendant 2 000 à 5 000 heures entre deux interventions de maintenance ; il s'agit des conditions d'étanchéité les plus exigeantes pour une machine d'orientation.
Couple de poussée variable au sol — De l'argile molle au granit dur dans le même tunnel
Contrairement à toutes les autres applications de rotation — où la charge est prévisible et relativement constante —, le couple de la tête de coupe du tunnelier varie continuellement et de façon imprévisible en fonction des conditions du terrain le long du tracé du tunnel. Un même tunnel peut traverser de l'argile, du sable, du gravier, du grès, du calcaire et du granit — chaque type de terrain nécessitant un couple de coupe, une vitesse de rotation et une vitesse d'avancement différents.
| Type de sol | UCS (MPa) | Couple (kN·m) | tr/min | Par lecteur (12) |
|---|---|---|---|---|
| Argile molle / limon | 0,1 – 1 | 3k – 8k | 4 – 10 | 250 – 670 |
| Grès / calcaire | 20 – 80 | 10 km – 25 km | 3 – 6 | 830 – 2 080 |
| Granit dur | 100 – 300 | 25k – 50k | 1 – 3 | 2 080 – 4 170 |
Tunnels mixtes — le pire des cas : La condition la plus dommageable est un terrain mixte, où la tête de coupe rencontre simultanément de la roche dure d'un côté et un sol meuble de l'autre. Ceci engendre des forces radiales déséquilibrées qui alternent à chaque rotation, soumettant les entraînements d'un côté à une charge 1,5 à 2,5 fois supérieure à la moyenne, tandis que le côté opposé est quasiment sans charge. Ce chargement cyclique déséquilibré provoque une usure par fatigue 3 à 5 fois plus rapide qu'en terrain uniforme.
Calcul du couple — Tunnelier de roche de 10 mètres, 12 entraînements
Le coefficient de roulement (k) varie considérablement selon le type de roche et l'état de la fraise. Sur du granit dur, des fraises neuves présentent des valeurs de k comprises entre 0,05 et 0,07. À mesure que les fraises s'usent (apparition de méplats sur la bague en carbure), le coefficient de roulement augmente jusqu'à 0,08 à 0,12, ce qui accroît le couple de la tête de coupe de 40 à 701 TNP (tours cubes par seconde) entre l'état de la fraise neuve et celui de la fraise usée. Le système d'orientation doit être dimensionné pour le couple de la fraise usée, et non pour celui de la fraise neuve, car les intervalles de remplacement des fraises sont généralement de 500 à 2 000 heures de forage, et les 201 TNP (tours cubes par seconde) restantes de chaque fraise génèrent la résistance au roulement la plus élevée. Cette caractéristique de conception liée à l'usure des fraises est propre aux entraînements des tunneliers ; aucune autre application d'orientation ne présente une variable d'usure d'outil qui modifie le couple d'entraînement de 40 à 701 TNP (tours cubes par seconde) sur un intervalle de maintenance prévisible.
Maintenance en espace confiné — Une conception axée sur la logistique de remplacement
Dans toute autre application de rotation, un mécanisme défaillant peut être remplacé à l'aide d'une grue mobile ou d'un chariot élévateur. Sur un tunnelier, les mécanismes de rotation sont situés à l'intérieur du bouclier, enfouis entre 20 et 40 mètres sous terre et accessibles uniquement par un tunnel de 2 à 10 kilomètres de long. Chaque outil, chaque pièce de rechange et chaque technicien doit emprunter ce tunnel.
Tête de coupe TBM réducteurs planétaires à entraînement de rotation Les systèmes sont conçus pour faciliter la logistique de remplacement autant que pour optimiser le couple. L'interface de montage, la géométrie de l'accouplement, le cheminement des raccords d'huile et l'accessibilité des fixations sont optimisés pour un arc de serrage de 600 mm, un palan à chaîne de 5 tonnes et une fenêtre de remplacement de 8 heures. Chaque heure d'arrêt du tunnelier pour maintenance engendre un coût de 15 000 à 50 000 USD en perte de productivité et en retard de projet.
La procédure de remplacement est conçue avec autant de soin que le variateur lui-même : la configuration des boulons de fixation est prévue pour les clés dynamométriques hydrauliques (et non pour les clés à chocs, inutilisables dans un espace aussi restreint). L’accouplement entre le moteur et le réducteur utilise une interface cannelée qui s’aligne automatiquement lors de l’installation, éliminant ainsi le besoin d’un alignement précis avec des comparateurs à cadran dans un espace où la visibilité et l’accès sont fortement limités. Les orifices de remplissage et de vidange d’huile sont positionnés de manière à permettre un remplissage par gravité par le haut et une vidange complète par le bas, grâce à des flexibles pouvant contourner les équipements adjacents. Ces détails logistiques, invisibles dans les spécifications d’un montage en surface, déterminent la durée d’intervention : 8 heures (conception optimale) ou 24 heures (conception médiocre).
La plupart des entreprises de construction de tunneliers transportent 1 à 2 entraînements de rechange complets dans le portique de secours du tunnel : pré-remplis d’huile, pré-testés et prêts à être installés. La gestion des entraînements de rechange est un élément essentiel du plan logistique du tunnelier et doit être spécifiée lors de la commande initiale. Un entraînement de rechange stocké à l’entrée du tunnel se situe entre 2 et 10 kilomètres, soit entre 2 et 4 heures de transport, de la machine ; une distance trop importante pour des remplacements urgents lors d’une transition de terrain difficile.
Le poids des moteurs est une contrainte critique. Chaque unité doit pouvoir être transportée sur le système ferroviaire du tunnel (généralement dans un wagon de matériaux d'une capacité de charge utile de 5 tonnes) et levée par les palans à chaîne montés sur les rails du toit du bouclier. Ceci limite le poids maximal d'un moteur à environ 2 500 à 3 000 kg, indépendamment du couple requis. Pour les tunneliers de très grande taille, où le couple par moteur dépasse la capacité d'une unité de 3 000 kg, la solution consiste à ajouter des moteurs (en passant de 12 à 16 ou 20) plutôt que d'augmenter leur poids. Cette approche par mise à l'échelle préserve la capacité de remplacement dans les espaces restreints tout en répondant aux exigences de couple total grâce à l'ajout d'unités en parallèle.
Ingénierie d'étanchéité pour tunneliers pressurisés
Sur les tunneliers pour roche dure, l'étanchéité est assurée par des dispositifs classiques d'exclusion de la poussière et de l'eau. Sur les tunneliers à pression de vapeur saturante (EPB) et à boue, les mécanismes d'entraînement fonctionnent derrière une cloison étanche pressurisée à une pression de 1 à 6 bars. Le joint d'étanchéité du mécanisme doit empêcher en permanence la pénétration de fluides sous pression, abrasifs et chimiquement agressifs dans le réducteur, pendant 2 000 à 5 000 heures entre les interventions de maintenance.
Joints à lèvres multiples en tandem (3 à 5) pour une étanchéité progressive à la poussière et à l'eau. Durée de vie : 3 000 à 6 000 heures. Ne convient pas aux pressions supérieures à 0,5 bar.
Faces en carbure de silicium ou en carbure de tungstène pressées par ressorts. Résistance à la pression : 3 à 6 bar. Usure : 0,01 à 0,03 mm par 1 000 heures. Durée de vie : 4 000 à 8 000 heures. Chambre d’étanchéité pré-remplie de graisse propre sous pression positive.
Labyrinthe à plusieurs étages avec injection continue de graisse à une pression de 0,5 à 1,0 bar supérieure à la pression de front de taille. Consommation : 0,5 à 2,0 L/h par entraînement. Un tunnelier à boue à 12 entraînements consomme de 6 à 24 L/h de graisse barrière — un coût non négligeable, mais bien inférieur à celui d’une panne de boîte de vitesses due à l’ingestion de boue.
Le choix des joints d'étanchéité influe directement sur le coût d'exploitation du tunnelier. Les joints mécaniques à faces planes présentent un coût d'exploitation inférieur (absence de consommation de graisse), mais un coût de remplacement plus élevé et nécessitent des techniciens qualifiés pour le rodage des faces. Les joints labyrinthes pressurisés engendrent un coût d'exploitation plus important (consommation continue de graisse de 3 à 8 USD par litre), mais tolèrent mieux les défauts d'alignement et peuvent être entretenus par le personnel de maintenance courant. Pour un tunnelier à boue à 12 entraînements fonctionnant 6 000 heures par an à raison de 1 L/h par entraînement, le coût annuel de la graisse s'élève à 72 000 litres x 5 USD = 360 000 USD – une dépense d'exploitation certes conséquente, mais prévisible, comparée au coût imprévisible d'une défaillance de joint mécanique et à l'inondation consécutive de la boîte de vitesses.
La stratégie de surveillance des joints varie selon leur type. Les joints mécaniques à faces planes peuvent être surveillés en mesurant le débit de fuite de graisse au niveau de l'orifice de vidange ; une augmentation soudaine de la fuite indique une usure des faces proche du seuil de remplacement. Les joints à labyrinthe pressurisés peuvent être surveillés en suivant le taux de consommation de graisse ; une diminution de la consommation à pression d'injection constante indique un colmatage partiel du labyrinthe (dû à une accumulation de contaminants), tandis qu'une augmentation indique un élargissement de l'entrefer dû à l'usure. Ces deux méthodes de surveillance offrent un délai d'alerte de 500 à 1 000 heures avant que l'état du joint ne devienne critique, ce qui permet de programmer un remplacement lors d'une opération de maintenance planifiée plutôt que de devoir intervenir en urgence.
Trois modes de défaillance spécifiques aux entraînements de rotation de la tête de coupe des tunneliers
Lorsque la tête de coupe rencontre un bloc erratique isolé dans un sol meuble, le disque de coupe transmet un pic de couple de 2 à 4 fois le couple moyen, durant de 0,1 à 0,5 seconde. Les engrenages planétaires doivent absorber ce choc sans rupture de dent. Des rencontres répétées (10 à 50 par mètre dans les dépôts glaciaires) accumulent la fatigue bien plus rapidement que ne le suggèrent les hypothèses d'un sol uniforme. Le pic de couple se propage à travers l'engrènement de la couronne et dans les étages planétaires, soumettant la roue solaire, les satellites et les axes du porte-satellites à une impulsion supérieure au couple nominal en régime permanent. La contrainte à la base de la dent lors d'un pic de couple de 3 fois le couple moyen peut approcher la limite d'élasticité de l'acier cémenté standard. Si ce pic coïncide avec une fissure de fatigue existante suite à des incidents antérieurs, la dent peut se rompre brutalement, projetant des fragments dans l'engrènement et endommageant les dents et les roulements adjacents, provoquant une rupture en cascade.
Sur les tunneliers à pression de vapeur (EPB) et à boue, une défaillance catastrophique d'un joint d'étanchéité peut remplir la boîte de vitesses de boue abrasive sous une pression de 2 à 6 bars en quelques heures, condamnant ainsi l'ensemble de l'engrenage et tous les roulements d'un seul coup. Contrairement aux fuites progressives (détectables par analyse d'huile), une défaillance catastrophique est immédiate et totale. Le coût de remplacement est alourdi par une immobilisation du tunnelier de 8 à 16 heures, à un coût horaire de 15 000 à 50 000 USD.
Lorsqu'une tête de coupe se bloque, l'opérateur doit l'inverser pour dégager l'obstruction. Le couple d'inversion exerce une charge sur le flanc de dent opposé (non motrice), une surface moins résistante à la fatigue du fait d'un contact réduit en rotation normale. Les cycles répétés de blocage et d'inversion par poste en terrain mixte entraînent un écaillage accéléré du flanc d'inversion en 2 000 à 4 000 heures. Le problème est aggravé par le fait que le couple d'inversion est souvent appliqué à la pression maximale du système (l'opérateur actionne la soupape de décharge hydraulique au maximum pour débloquer la tête), générant des pics de couple 10 à 30% supérieurs au couple maximal en rotation normale. Cette combinaison d'une surface de contact moins durcie et d'un couple anormalement élevé fait de la rupture du flanc d'inversion le mode de dommage le plus fréquent lors du creusement de tunnels en terrain mixte avec des tunneliers.
Réducteur planétaire d'orientation pour tête de coupe de tunnelier — Foire aux questions
Korea Ever-Power fournit des réducteurs planétaires d'entraînement à la rotation des têtes de coupe TBM de 200 à 4 500 kN·m par unité avec des engrenages résistants aux chocs, des joints d'étanchéité pressurisés et un montage en espace confiné.
Éditeur : Cxm
