Introduction
Les rouleaux de stations-supports en acier et en composite sont tous deux largement utilisés sur les convoyeurs de vrac, et chacun dispose d'un domaine d'emploi bien défini dans lequel il constitue le meilleur choix. Cet article compare les deux technologies selon les propriétés qui déterminent la performance des rouleaux en service : masse et manutention, usure et protection de la bande, corrosion, rigidité, stabilité dimensionnelle, centrage de la bande, bruit, dissipation thermique, comportement au feu et aux chocs, impact environnemental et coût de possession. Il s'adresse aux ingénieurs et prescripteurs de convoyeurs, et s'appuie sur les quatre décennies d'expérience de Lorbrand dans la conception et la fabrication de rouleaux en acier, et sur plus de dix ans dans les rouleaux composites.
Les deux technologies présentent de réels atouts et de réelles limites. Les installations les plus performantes emploient chaque type là où ses caractéristiques correspondent aux conditions d'exploitation de la position qu'il occupe.
L'évolution de la technologie des rouleaux composites
Les rouleaux en acier constituent l'ossature des systèmes de convoyage depuis les premiers convoyeurs à bande, et cette technologie est mature, bien maîtrisée et normalisée. Les rouleaux composites, en revanche, ont considérablement évolué depuis leur apparition dans les années 1980. Les premières conceptions étaient hybrides : de simples tubes en PEHD emmanchés sur des tubes en acier à paroi mince, qui offraient une résistance à la corrosion mais restaient limités par les faibles propriétés mécaniques du PEHD non renforcé.
L'arrivée des tubes en PEHD renforcé de fibres de verre (PEHD-FV) a supprimé le tube intérieur en acier et donné naissance à de véritables tubes entièrement polymères. Les premières formulations manquaient toutefois de la rigidité en flexion nécessaire aux applications de service intensif. Les tubes en PEHD-FV de génération actuelle, développés par des fabricants de polymères spécialisés, offrent des propriétés mécaniques et une résistance à l'abrasion qui les rendent aptes aux applications minières exigeantes. Des formulations spécifiques ignifuges et antistatiques existent, mais les prescripteurs doivent savoir que ces additifs peuvent réduire la résistance à l'usure et la résistance mécanique par rapport au PEHD-FV standard.
Poids, sécurité et manutention
20–60%
plus léger qu'un rouleau en acier équivalent
La masse d'un rouleau composite est généralement inférieure de 20 à 60 % à celle d'un rouleau en acier équivalent, selon surtout l'épaisseur de paroi du tube en acier qu'il remplace. Pour un rouleau CEMA D6 de 1200 mm de longueur de tube, cela représente environ 26 kg (acier) contre 19 kg (composite). Le gain ergonomique lors de la manutention manuelle (installation, maintenance et remplacement) est considérable. Les blessures liées à la manutention manuelle comptent parmi les causes les plus fréquentes d'accidents avec arrêt de travail dans la maintenance des convoyeurs, et réduire le poids unitaire d'un cinquième ou plus atténue directement ce risque.
La masse en rotation plus faible réduit aussi le couple de démarrage requis et peut réduire légèrement la consommation d'énergie en régime établi, mais ce dernier point dépend de facteurs propres au système, notamment la tension de la bande, le chargement en matériau et la longueur du convoyeur, et ne doit pas être supposé sans analyse.
Résistance à l'usure et protection de la bande
L'acier est le matériau le plus dur et offre, dans l'absolu, une meilleure résistance à l'abrasion : il perd moins de matière par unité de temps sous contact abrasif. C'est facile à démontrer : lors d'un essai d'abrasion direct, le PEHD-FV s'use nettement plus vite que l'acier. Les retours d'expérience des sites qui exploitent les deux types de rouleaux en conditions fortement abrasives le confirment systématiquement : dans ces environnements, les rouleaux en acier surpassent les composites en durée de vie à l'usure.
Ce que les rouleaux composites apportent, c'est une réserve d'usure plus importante. Une épaisseur de paroi composite typique de 15–20 mm, contre 4–6 mm pour l'acier, offre davantage de matière avant que le tube ne soit percé par l'usure. Toutefois, l'épaisseur totale de la paroi n'est pas entièrement disponible comme durée de vie à l'usure. À mesure que le tube s'amincit, sa rigidité en flexion et sa capacité de charge diminuent, et le coefficient de sécurité de conception du fabricant s'érode progressivement. Une profondeur d'usure radiale de 5 mm sert couramment de seuil de planification, mais la limite admissible réelle dépend de la marge de conception du rouleau, de la charge d'exploitation et de la longueur. En conditions d'abrasion modérée, cette réserve d'usure utile peut tout de même donner une durée de vie supérieure à celle de l'acier, malgré un taux d'usure plus élevé. En environnement fortement abrasif, en revanche, le taux d'usure du PEHD-FV peut dépasser celui de l'acier à tel point que les rouleaux en acier durent plus longtemps que les composites.
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L'avantage en matière de protection de la bande demeure, quel que soit le taux d'usure. Lorsqu'un tube en acier est percé par l'usure, l'arête vive qui en résulte peut causer des dommages catastrophiques à la bande et détruire en quelques minutes une bande valant des centaines de milliers de dollars. Un tube composite usé ne forme pas d'arêtes vives et risque beaucoup moins d'endommager la bande, même fortement usé. L'avantage tient au mode de défaillance plutôt qu'à la résistance à l'usure, et il peut valoir bien plus que le prix d'achat du rouleau en tant qu'assurance contre les dommages à la bande. Par ailleurs, l'usure des rouleaux composites s'accélère à mesure que le diamètre diminue, en raison des effets de vitesse périphérique différentielle.
Résistance à la corrosion et aux produits chimiques
Le PEHD-FV est intrinsèquement insensible à la corrosion. Dans les installations côtières, les usines de traitement chimique, la manutention d'engrais ou en présence d'eaux minières acides, les tubes composites offrent un avantage décisif. Le tube ne rouillera jamais, ne se piquera pas et ne développera aucun balourd lié à la corrosion. Dans ces environnements, les rouleaux en acier exigent des revêtements de protection, une galvanisation ou une construction en acier inoxydable, autant de protections qui ajoutent un coût et peuvent malgré tout se dégrader avec le temps.
Rigidité structurelle et capacité de charge
30–70×
module de flexion de l'acier (≈200 GPa) rapporté à celui du PEHD-FV (3–6 GPa)
Le module de flexion de l'acier (environ 200 GPa) est 30 à 70 fois supérieur à celui du PEHD-FV (3–6 GPa). La paroi composite plus épaisse compense en grande partie cet écart, sans le combler entièrement. Sous fortes charges, les tubes composites fléchissent davantage que l'acier à diamètre extérieur égal, et cette flèche augmente à mesure que le tube s'amincit par usure.
Pour les applications situées en haut des classes de service des convoyeurs (fortes tensions de bande, masses volumiques apparentes élevées, grand espacement des stations), l'acier reste le choix approprié. Lorsque des rouleaux composites remplacent des rouleaux en acier en rénovation, il peut être nécessaire de prescrire un diamètre supérieur pour conserver une flèche acceptable, ce qui peut affecter les jeux par rapport à la bande, aux blindages de goulotte et à la structure. Les fabricants de rouleaux doivent fournir des données de flèche pour les dimensions de tube neuf et usé.
Stabilité dimensionnelle et thermique
Les rouleaux en acier fonctionnent dans un régime dimensionnellement stable. L'arbre et le tube étant tous deux en acier, la dilatation thermique différentielle est négligeable. Le logement de roulement est en acier (flasque embouti ou soudé) : il ne flue pas, ne se ramollit pas avec la température et conserve indéfiniment la précision de la portée de roulement.
Les rouleaux composites font face à deux difficultés distinctes. D'abord, le coefficient de dilatation thermique axial du PEHD-FV (environ 30 × 10⁻⁶/°C, dans le sens des fibres de verre) est nettement supérieur à celui de l'acier (environ 12 × 10⁻⁶/°C). Sur un tube de 1000 mm, une variation saisonnière de température de 30 °C crée environ 0,5 mm de dilatation axiale différentielle entre le tube en PEHD-FV et l'arbre en acier. Dans les rouleaux où le logement de roulement est solidaire du tube (comme dans la construction soudée par friction), cet écart peut imposer une précharge axiale cyclique aux roulements, ce qui augmente les contraintes sur les chemins de roulement et accélère la dégradation du lubrifiant. Cet effet peut être éliminé, mais il faut pour cela une conception qui autorise un déplacement axial (glissant) quelque part, généralement en réalisant l'une des portées de roulement de l'arbre avec un ajustement glissant.
Ensuite, le PEHD-FV est un matériau viscoélastique sujet au fluage sous charge prolongée. Dans les rouleaux soudés par friction, où le logement de roulement doit lui aussi être en PEHD-FV (le même matériau que le tube, condition de la soudure), la portée de roulement peut s'agrandir progressivement et desserrer l'ajustement du roulement. Les logements de roulement en PA66-GF (nylon), utilisés dans les conceptions à logements emmanchés, offrent une bien meilleure résistance au fluage et un point de ramollissement Vicat supérieur à 250 °C, contre 125–130 °C pour le PEHD-FV.
Le faux-rond (TIR, Total Indicator Runout) d'un rouleau composite, même usiné avec précision à la fabrication, peut évoluer au cours de sa durée de service sous l'effet de ces phénomènes thermiques et de fluage. Les rouleaux en acier conservent pratiquement en permanence leur faux-rond d'origine. Pour les applications sensibles aux vibrations, cette distinction compte.
Centrage de la bande et auto-centrage
Le coefficient de frottement du caoutchouc sur l'acier est généralement supérieur à celui du caoutchouc sur le PEHD. Le frottement plus faible d'un tube composite est présenté comme un avantage (moindre usure des revêtements de bande, consommation d'énergie réduite), mais il a une conséquence opérationnelle importante : une force d'auto-centrage réduite. La capacité de la bande à corriger une dérive latérale sur une station en auge dépend directement du frottement, si bien que les rouleaux composites exercent une force de rappel plus faible.
En pratique, les convoyeurs équipés de rouleaux composites exigent couramment davantage de rouleaux de guidage latéral que des installations équivalentes à rouleaux en acier. Lorsque la bande frotte en permanence contre les rouleaux de guidage, ce contact augmente la résistance globale au mouvement du convoyeur et accélère l'usure des rives de la bande, dégradant la bande même que le rouleau composite à faible frottement devait protéger. À mesure que les rouleaux composites vieillissent et présentent des profils d'usure non uniformes, le centrage se dégrade progressivement sous l'effet de la direction induite par l'usure.
À l'inverse, les rouleaux en acier qui rouillent ou qui accumulent des dépôts collants provoquent eux aussi un déport de bande : le tube perd son diamètre uniforme et dévie la bande hors de l'axe. Les rouleaux composites résistent à la fois à la rouille et aux dépôts, si bien que leur comportement de centrage reste plus constant en conditions humides, corrosives ou collantes.
Réduction du bruit et amortissement des vibrations
Les rouleaux composites produisent nettement moins de bruit en fonctionnement que l'acier. Le PEHD-FV est un matériau viscoélastique qui absorbe l'énergie des chocs provenant des jonctions de bande, du chargement de gros blocs et des vibrations du châssis, au lieu de la transmettre et de la rayonner sous forme de bruit. C'est un atout pour les mines souterraines, les usines fermées et les installations proches de zones résidentielles où le respect des limites de bruit est une contrainte réglementaire. (L'usage en souterrain comporte une contrainte distincte de sécurité incendie ; voir Matériaux chauds, feu et résistance aux chocs ci-dessous.)
La même propriété d'amortissement atténue les chocs à haute fréquence transmis aux roulements, ce qui peut prolonger leur durée de vie. À l'inverse, les tubes en acier transmettent chaque choc directement au roulement, et l'effet cumulé des chocs dynamiques contribue de façon importante aux taux de défaillance réels des roulements. C'est l'une des raisons pour lesquelles, dans certaines applications, les rouleaux composites peuvent dépasser les rouleaux en acier en durée de vie des roulements, même en excluant l'usure et la corrosion de la comparaison.
Cet avantage est toutefois contrebalancé lorsque le fluage du logement de roulement ou la précharge thermique dégrade l'alignement des roulements (voir Stabilité dimensionnelle et thermique, ci-dessus). L'effet net sur la durée de vie des roulements dépend de la conception du rouleau et des conditions d'exploitation.
Dissipation thermique
L'acier est un excellent conducteur thermique. La chaleur générée par les roulements se dissipe facilement à travers le flasque et le tube en acier. Dans les rouleaux composites, le logement en polymère agit comme un isolant thermique et retient la chaleur autour du roulement. À vitesse plus élevée ou sous charge plus lourde, cela peut accélérer la dégradation du lubrifiant. En ordre de grandeur, la durée de vie du lubrifiant des roulements est divisée par deux à chaque hausse de 15 °C de la température de fonctionnement. Pour les convoyeurs à grande vitesse ou exploités sous température ambiante élevée, c'est un facteur important.
Matériaux chauds, feu et résistance aux chocs
Les rouleaux en acier s'imposent pour le transport de matériaux chauds : clinker, aggloméré, roche fraîchement abattue, ou tout matériau susceptible de porter la surface du rouleau vers ou au-delà du point de ramollissement Vicat du PEHD-FV (125–130 °C). L'acier résiste aussi mieux aux entailles causées par des objets métalliques coincés, des éléments de jonction de bande endommagés et des chocs violents. Si les rouleaux amortisseurs à disques caoutchouc (disponibles avec tube en acier ou en composite) atténuent les chocs dans les zones de chargement, l'acier reste plus tolérant aux mauvais traitements en environnement sévère.
L'inflammabilité constitue une distinction connexe, critique pour la sécurité. Le PEHD-FV standard est combustible : en cas d'incendie, il peut entretenir et propager la flamme et produire de la fumée, un danger grave dans les travaux souterrains confinés. Les applications souterraines, et tout particulièrement les mines de charbon souterraines, exigent donc des rouleaux composites de qualité ignifuge et antistatique (FRAS), et même ceux-ci ne doivent être prescrits qu'après une évaluation du risque d'incendie du site. Comme indiqué dans la section sur l'évolution des rouleaux composites, les additifs FRAS réduisent aussi la résistance à l'usure et la résistance mécanique par rapport au PEHD-FV standard. L'acier, incombustible, n'est soumis à aucune restriction de ce type et reste le choix par défaut lorsque le risque d'incendie est déterminant.
Considérations environnementales
Production de microplastiques
≈10 t
débris d'usure de PEHD-FV qu'un convoyeur overland de 5 km peut déposer au cours de sa durée d'exploitation
Les tubes de rouleaux composites libèrent des particules de microplastique de PEHD-FV en s'usant. Les quantités ne sont pas négligeables. Un convoyeur overland de 5 km peut déposer environ 10 tonnes de débris d'usure de PEHD-FV au cours de sa durée d'exploitation. Ces débris contiennent des fibres de verre libérées. L'usure des rouleaux en acier génère de la poussière d'oxyde de fer, inerte et présente à l'état naturel. Les exploitants situés dans des zones écologiquement sensibles doivent intégrer la production de microplastiques à leurs évaluations des risques environnementaux.
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Article complémentaire
Usure du tube des rouleaux composites : quantités et mécanismes des débris d'usure
Recyclage en fin de vie
Les rouleaux en acier sont entièrement recyclables par les filières classiques de la ferraille. Les rouleaux composites en PEHD-FV ne peuvent pas rejoindre le recyclage général des plastiques, car les fibres de verre endommagent les équipements de transformation et contaminent la matière recyclée. Ils exigent une collecte dédiée et un traitement spécialisé. Lorbrand reprend les rouleaux composites retournés pour les transformer en produits à contenu recyclé lorsque la logistique le permet.
Coût total de possession
Les rouleaux composites ont généralement un prix d'achat unitaire plus élevé. Qu'ils offrent ou non un coût total de possession inférieur dépend entièrement de l'application. Une comparaison pertinente doit inclure la main-d'œuvre d'installation (moindre pour les composites), la durée de vie à l'usure attendue dans l'environnement abrasif considéré, la fréquence et la logistique de maintenance, l'effet sur la durée de vie de la bande (les composites éliminent les dommages dus aux arêtes vives), la consommation d'énergie (selon le système) et les coûts d'élimination. Aucune des deux technologies n'est intrinsèquement moins chère sur l'ensemble de son cycle de vie. La réponse dépend des conditions.
Guide de sélection
Le tableau suivant résume les conditions favorables à chaque type de rouleau :
| Favorable au composite | Favorable à l'acier |
|---|---|
| Environnements corrosifs ou chimiques | Très fortes tensions de bande et charges lourdes |
| Abrasion modérée (réserve d'usure plus importante) | Abrasion sévère ou matériaux chauds |
| La sécurité de la manutention manuelle est une priorité | Zones de chargement à chocs violents |
| Environnements sensibles au bruit | Centrage précis de la bande en conditions sèches et propres |
| La protection de la bande est primordiale (bande coûteuse) | Applications à grande vitesse (échauffement des roulements) |
| Longs convoyeurs overland (gain de poids) | Zones écologiquement sensibles (débris d'usure inertes, sans microplastiques) |
| Sites isolés (moins de remplacements, logistique allégée) | Rénovation où les jeux empêchent d'augmenter le diamètre |
| Estacades surélevées / positions difficiles d'accès (poids) | Précision dimensionnelle requise sur toute la durée de service |
Le souterrain est un cas particulier : les rouleaux composites y offrent de réels avantages de bruit et de poids dans les travaux confinés, mais uniquement en qualité FRAS, et uniquement après une évaluation du risque d'incendie du site (voir Matériaux chauds, feu et résistance aux chocs ci-dessus). Lorsque le risque d'incendie est la préoccupation majeure, l'acier reste le choix le plus sûr.
De nombreuses installations gagnent à utiliser les deux types : des rouleaux composites sur les estacades surélevées ou dans les pentes et terrains difficiles où leurs avantages l'emportent, et de l'acier aux emplacements où le remplacement est plus facile, dans les zones à haute température ou aux positions qui exigent un contrôle précis du centrage.
Conclusion
Les rouleaux de convoyeur en acier et en composite sont des technologies complémentaires. Chacun présente des caractéristiques qui en font le meilleur choix dans des conditions précises. L'acier offre une rigidité, une stabilité dimensionnelle, une force d'auto-centrage, une dissipation thermique et une recyclabilité supérieures. Le composite offre une meilleure résistance à la corrosion, un poids réduit, l'amortissement du bruit et la protection de la bande.
La tâche de l'ingénieur consiste à choisir le bon rouleau pour chaque application. Cela exige des fabricants des données honnêtes sur les atouts comme sur les limites de leurs produits, et des ingénieurs un jugement éclairé sur les caractéristiques qui comptent le plus pour chaque position du convoyeur.
Lorbrand fabrique des rouleaux en acier et des rouleaux composites, car les deux ont un rôle essentiel dans les systèmes de convoyage modernes. Nous invitons les utilisateurs à évaluer chaque application au cas par cas, à l'aide des critères exposés dans cet article, et à nous contacter pour des conseils propres à leur application.
Questions fréquentes
Peut-on utiliser des rouleaux composites en souterrain ?
Uniquement en qualité ignifuge et antistatique (FRAS), et uniquement après une évaluation du risque d'incendie du site. Le PEHD-FV standard est combustible : en cas d'incendie, il peut entretenir la flamme et produire de la fumée, un danger grave dans les travaux confinés. Lorsque le risque d'incendie est la préoccupation majeure, les rouleaux en acier restent le choix le plus sûr.
De combien un rouleau composite est-il plus léger qu'un rouleau en acier ?
Généralement de 20 à 60 %, selon surtout l'épaisseur de paroi du tube en acier. Un rouleau CEMA D6 de 1200 mm de longueur de tube pèse environ 19 kg en composite contre environ 26 kg en acier, ce qui réduit le risque lié à la manutention manuelle lors de l'installation et du remplacement.
Les rouleaux composites sont-ils moins chers que les rouleaux en acier sur leur durée de vie ?
Cela dépend de l'application. Les rouleaux composites coûtent généralement plus cher à l'achat. Une comparaison juste inclut la main-d'œuvre d'installation, la durée de vie à l'usure dans les conditions abrasives du site, la logistique de maintenance, la protection de la bande contre les tubes usés à arêtes vives, la consommation d'énergie et l'élimination. Aucun des deux types n'est intrinsèquement moins cher sur l'ensemble de sa durée de vie.
Quel type de rouleau choisir pour les matériaux chauds ?
L'acier. Le clinker, l'aggloméré, la roche fraîchement abattue ou tout matériau capable de porter la surface du rouleau vers le point de ramollissement Vicat du PEHD-FV, de 125–130 °C, exigent des rouleaux en acier, qui résistent aussi mieux aux entailles causées par du métal coincé et aux chocs violents.
