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Calculs de conception des convoyeurs à vis

Conception des alimentateurs à vis

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Résumé de la page
1. Définition d’un alimentateur à vis
2. Position dans le procédé
3. Considérations importantes pour la conception
4. Conception des filets de vis
5. Dosage
6. Problèmes courants avec les convoyeurs à vis

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1. Procédure de conception

Comment dimensionner un alimentateur à vis ?

Différentes procédures de conception peuvent être trouvées dans l'industrie. Celle présentée sur cette page est dérivée de la méthodologie CEMA ; elle permet d'effectuer une conception de base mais n'est pas destinée à une conception détaillée et à la fabrication - TOUJOURS consulter une entreprise réputée avant de fabriquer un convoyeur à vis, par exemple des entreprises membres de l'association CEMA.

La procédure présentée sur cette page permettra d'estimer la capacité du convoyeur à vis en tenant compte de différents paramètres de conception tels que... [ ]. La méthodologie vise à concevoir des vis assez grandes pour les industries du charbon, du ciment, etc. Pour des vis plus petites, il est conseillé de vérifier les résultats obtenus par cette procédure.

Un schéma typique de conception de convoyeur à vis est présenté ci-dessous :

Figure 1 : Principe du convoyeur à vis et composants clés

2. Conception d'un nouveau convoyeur à vis

Données connues : capacité requise du convoyeur à vis, matériau
Inconnues : dimensions et caractéristiques de la vis

2.1 Formule simplifiée

La capacité d'un convoyeur à vis avec un filet standard peut être estimée de la manière suivante :

Avec

Q = capacité de la vis en kg/h
D = diamètre de la vis en m
S = pas de la vis en m
N = vitesse de rotation de la vis en tr/min
α = taux de remplissage
ρ = masse volumique apparente du matériau en kg/m³
C = facteur de correction d'inclinaison

Étape 1 : définir les exigences

Définir la capacité requise pour le convoyeur à vis. La conception de la vis doit atteindre une capacité égale ou supérieure à cette valeur.

Exemple : l'exigence pour une vis convoyant du sucre est de 3500 kg/h.

Étape 2 : calculer la capacité du convoyeur à vis

• Supposer un diamètre D

• Définir le pas de la vis (dépend des caractéristiques du produit à convoyer, entre autres paramètres) en fonction du diamètre de la vis.

Pas	Longueur du pas S
Standard	S = D
Court	S = 2/3 × D
Demi	S = D/2
Long	S = 1,5 × D

• Estimer le taux de remplissage α de la vis en fonction des propriétés d'écoulement du solide à convoyer

Matériau	Taux de remplissage min.	Taux de remplissage max.
Peu fluide	0,12	0,15
Fluide moyen	0,25	0,30
Très fluide	0,4	0,45

À noter que ces valeurs sont des ordres de grandeur. Elles peuvent être plus ou moins élevées ; dans certains cas, le taux de remplissage peut même atteindre 95 %.

• Définir si le convoyeur à vis est horizontal (ce qui est toujours préférable) ou doit être incliné. Déterminer le facteur de correction correspondant.

Inclinaison en °	Facteur de correction C
0	1
5	0,9
10	0,8
15	0,7
20	0,65

• Ajuster la vitesse de rotation de la vis de sorte que la capacité du convoyeur soit supérieure à l'exigence.

Exemple :

• Le diamètre supposé est de 0,1 m
• Aucune contrainte spécifique pour la vis, le pas est choisi standard, S = 0,1 m
  
• Le sucre est très fluide, un taux de remplissage de 0,45 est sélectionné
• La vis est installée sans inclinaison, C = 1
• La masse volumique du sucre est de 800 kg/m³

Le calcul donne 17 kg/h pour 1 tr/min. En ajustant la vitesse, 207 tr/min sont nécessaires pour atteindre une capacité de 3500 kg/h.

Étape 3 : comparer la capacité calculée à la vitesse maximale admissible de la vis

Certaines vitesses maximales de référence pour les vis sont indiquées dans le tableau ci-dessous :

Diamètre de la vis en m	15 %	30%A	30%	45%
0,1	69
0,15	66
0,23	62
0,25	60
0,30	58
0,36	56
0,41	53
0,46	50
0,51	47
0,61	42

Si la vitesse calculée à l’étape 2 est < à la vitesse maximale pour le diamètre de vis sélectionné, la conception peut être conservée.

Si la vitesse calculée à l’étape 2 est > à la vitesse maximale pour le diamètre de vis sélectionné, la conception n’est pas adaptée et le calcul doit être relancé en modifiant un paramètre, généralement le diamètre.

Exemple :

• Le diamètre sélectionné était de 0,1 m, pour lequel la vitesse maximale recommandée de la vis à 45 % de remplissage est de 190 tr/min
• La vitesse calculée est trop élevée ; le calcul doit être refait en modifiant un paramètre. Un diamètre plus grand peut être sélectionné, D = 0,15 m
• Le calcul est relancé et cette fois, une vitesse de 62 tr/min est obtenue. Elle est inférieure à la vitesse maximale recommandée ; la conception de la vis peut donc être retenue.

2.2 Formule alternative fournie par le CEMA

L’association CEMA donne la capacité d’un transporteur à vis comme suit :

C = 0,7854*(Ds²-Dp²).P.K.60/1728

Avec :

C = capacité en pi³/h/tr/min
Ds = Diamètre de l’hélice de la vis en pouces
Dp = Diamètre intérieur du tube/arbre supportant l’hélice de la vis en pouces
P = pas de la vis en pouces
K = taux de remplissage de l’auge (en %)

Il s’agit de la capacité pour 1 tr/min. Si les dimensions sont connues, dans le cas d’une vis existante, la capacité horaire peut être déterminée en multipliant par la vitesse de rotation (tr/min) à laquelle la vis est utilisée.

Cette formule donne des résultats similaires à celle indiquée précédemment.

Vitesse du transporteur à vis

La vitesse du transporteur à vis peut être déterminée en divisant le débit requis Q par la capacité calculée C : N = Q/C

Elle peut également être calculée de la manière suivante pour des conceptions standard de vis : N = Q.CF₀.CF₁.CF₂.CF₃/C₁

Avec :

N = vitesse de la vis en tr/min
Q = débit requis en pi³/h
C₁ : capacité de transport à 1 tr/min, tabulée
CF₀ = facteur de surcharge = 1,1 à 1,2
CF₁ = facteur de pas du transporteur
CF₂ = facteur de type d’hélice
CF₃ = facteur de pale de mélange

Vérification de la capacité d’un transporteur à vis existant

4. Besoin en puissance d’un transporteur à vis

5. Exemple de calcul

Prenons l’exemple d’un ingénieur souhaitant dimensionner un transporteur à vis pour convoyer de la farine de blé à 5 t/h.

Avec une masse volumique d’environ 0,510 kg/m³, ce qui donne un débit volumique de 5000/0,510 = 9800 l/h = 9,8 m³/h. Pour convertir en pi³/h, il est nécessaire de multiplier par 35,3147, ce qui donne 346 pi³/h.

ÉTAPE 1 : comprendre le besoin opérationnel

La vis doit fonctionner à plat, sans inclinaison, et il n’y a pas de besoin particulier pour des hélices spéciales ; une hélice standard sera donc utilisée (hélice non coupée, ni en ruban, sans pales, etc.).

La farine s’écoule bien et est fine ; le taux de remplissage est estimé à un minimum de 45 %.

ÉTAPE 2 : supposer une taille de vis

La taille de vis est initialement supposée à 150 mm (soit environ 6 pouces). Un pas standard est supposé.

ÉTAPE 3 : définir la capacité standard de la vis

D’après les tableaux, un transporteur à vis de 6 pouces avec un taux de remplissage de 45 % a une capacité de 368 pi³/h à 165 tr/min et 2,23 pi³/h à 1 tr/min.

ÉTAPE 4 : calculer la vitesse requise

N = 346 * 1,2 * 1 * 1 * 1 / 2,23 = 186 tr/min

ÉTAPE 5 : vérifier si N < vitesse max de la vis

186 tr/min est > à 165 tr/min ; une taille supérieure doit être choisie.

La même approche est répétée pour une vis de 9 pouces. D’après les tableaux, un transporteur à vis de 9 pouces avec un taux de remplissage de 45 % a une capacité de 1270 pi³/h à 165 tr/min et 8,20 pi³/h à 1 tr/min.

N = 346 * 1,2 * 1 * 1 * 1 / 8,20 = 50 tr/min

Cette fois, la vitesse requise est clairement inférieure à la valeur tabulée. La vis peut donc être sélectionnée.

Les transporteurs à vis sont généralement placés sous des trémies pour convoyer horizontalement le produit vers une autre opération de traitement. Lorsque le transport implique également un pesage, le doseur à vis est en réalité utilisé comme équipement de dosage.

Les transporteurs à vis peuvent également introduire des solides dans un système de transport pneumatique. Dans la plupart des cas, ils sont utilisés pour le transport sous vide, car il n’y a pas de problème de pression, mais certaines conceptions permettent aussi d’alimenter une ligne de transport sous pression. Pour cette application spécifique, la conception de l’hélice doit permettre une compression du solide afin que le bouchon formé empêche l’air sous pression de la ligne de revenir à travers la vis. Cela ne convient pas à tous les produits. Ainsi, pour le transport sous pression, les écluses rotatives à vanne sont généralement préférées aux transporteurs à vis pour introduire le produit.

Les doseurs à vis sont utilisés dans toutes les industries manipulant des matériaux en vrac, pour convoyer et/ou doser des solides divisés :

- Transformation alimentaire
- Industrie pharmaceutique
- Céréales / Aliments pour animaux
- Traitement des eaux (traitement des boues)
- ...

3. Considérations importantes

Quels sont les éléments importants lors de la conception d’un transporteur à vis ?

Les convoyeurs à vis industriels peuvent être très longs, atteignant >5 m, cependant ce type de conception ne peut être utilisé qu’avec des produits non sensibles et lorsque aucun nettoyage n’est requis. Il n’est en effet pas possible de retirer l’hélice de ces vis, et bien que certaines conceptions permettent d’accéder à l’intérieur (conception en auge – voir exemple), l’efficacité du nettoyage est réduite et le temps nécessaire sera long. Par ailleurs, la longueur de la vis la rend sujette à la flexion et à des contacts métal/métal avec le carter, risquant de contaminer le produit avec des copeaux métalliques. À titre indicatif, une hélice de 4 m peut se déformer jusqu’à 7-8 mm par rapport à l’axe droit de l’arbre ; si aucune disposition n’a été prise pour permettre une telle flexion, des contacts métal/métal peuvent survenir.

Pour les applications hygiéniques, il semble préférable de demander les caractéristiques suivantes :
- Vis courtes
- Hélices extractibles
- 2 paliers / bien que des conceptions en porte-à-faux existent pour des vis très courtes de 1-1,5 m
- Fonctionnement horizontal
- Vitesse périphérique de 1 m/s et joints de palier pressurisés – pour la prévention ATEX la prévention

Les vis inclinées sont attrayantes car elles permettent de résoudre de nombreux problèmes de procédé, notamment lors de la modernisation d’ *installations*, mais il convient d’être très prudent : ces types de vis sont généralement difficiles d’accès et d’extraction pour le nettoyage, peuvent être plus sensibles à la flexion et aux contacts métal/métal, et sont peu efficaces (l’efficacité diminue avec l’angle).

Tableau 1 : Capacité d’un convoyeur à vis en fonction de son inclinaison

Angle de la vis (degrés)	Pourcentage de la capacité maximale (%)
<8	100
20	55
30	30
45	0

Différents types de doseurs à vis peuvent être rencontrés dans les industries de procédé :

- Convoyeurs à vis à arbre central
- Doseurs à vis sans arbre "queue de cochon"
- Convoyeurs à vis flexibles
- Convoyeurs à vis en auge ou en tube
- Vis simple ou double (particulièrement utilisés dans les doseurs à perte de poids)

Les convoyeurs à vis sont des équipements rotatifs, ce qui les rend dangereux pour les opérateurs qui tenteraient d’accéder à l’entrée ou à la sortie de la vis. Pour cette raison, une attention particulière doit être portée à la trémie d’alimentation et à la descente. Si elles sont équipées de flexibles, ceux-ci doivent être démontables uniquement à l’aide d’un outil, et l’opérateur doit être formé pour arrêter la machine si un tel démontage est nécessaire. Dans le cas où cela n’est pas possible, une grille dans la descente empêchant l’accès à l’hélice peut être installée, à condition qu’elle n’entrave pas l’écoulement du produit. Dans tous les cas, une analyse des risques doit être réalisée par l’exploitant de l’*usine* pour s’assurer que les accès sont correctement protégés.

4. Conception des convoyeurs à vis

Quelles sont les caractéristiques d’une hélice de vis (pas, etc.) ?

L’hélice de vis peut prendre différentes formes et pas en fonction de l’application dans laquelle elle est utilisée.

- Hélice standard : pas constant = 1 diamètre ; convient à la plupart des applications

- Hélice à pas court : utilisée pour les vis inclinées, peut également être utilisée pour des matériaux faciles à fluidiser

- Hélice à pas progressif : pas plus petit au début de la vis, peut être utilisée pour les doseurs sous trémie afin d’assurer un débit constant.

- Hélice à pas décroissant : pas large au début et plus court à la fin, ce qui crée une compression ; ce n’est pas une conception courante et cela peut entraîner une poussée importante sur la vis, des besoins en puissance élevés, et éventuellement des dommages mécaniques. Si la vis est correctement conçue, ces hélices peuvent être utilisées comme dispositifs d’alimentation vers un système sous pression, car le produit comprimé en fin de vis agit comme un bouchon empêchant les gaz de fuir vers la vis.

- Hélice en ruban : utilisée principalement pour les matériaux collants

D’autres conceptions sont disponibles avec des pales ou des hélices tronquées lorsqu’un mélange du matériau est nécessaire.

Dans les applications nécessitant un haut degré d’hygiène et de finition, l’arbre doit être plein (non creux), et l’hélice doit être entièrement soudée et polie. Cela afin d’éviter que le matériau ne reste piégé dans des zones inaccessibles et ne contamine ultérieurement les bons produits.

La conception de l’arbre et du moteur doit être bien alignée afin que le moteur puisse entraîner la vis et la démarrer depuis un arrêt ou la faire fonctionner en surcharge, situations où le couple requis est maximal. À l’inverse, l’arbre doit être conçu pour supporter un tel couple et ne pas rompre lorsqu’il est appliqué.

5. Dosage

Lorsqu’ils sont utilisés pour des applications de dosage, les convoyeurs à vis doivent être équipés d’un moteur à variateur de fréquence afin de fonctionner en mode vitesse grossière et fine (voir la page dosage ). Les convoyeurs à vis sont le plus souvent intégrés dans des systèmes automatiques de *gain de poids* ou de *perte de poids*. En mode Perte de poids, le doseur à vis peut fonctionner soit en mode volumétrique, soit en mode gravimétrique automatique.

6. Problèmes courants avec les convoyeurs à vis

Les convoyeurs à vis sont généralement des équipements fiables, cependant un certain nombre de problèmes peuvent nécessiter des corrections :

Tableau 2 : problèmes courants avec les convoyeurs à vis

Problème	Cause racine et action corrective
Contact métal-métal	Dommage au palier – remplacer le palier Jeu incorrect entre l’hélice et le carter – revoir la conception ou remplacer l’hélice Corps étranger dans la vis – revoir la prévention des corps étrangers en amont du convoyeur à vis
Dommage au palier	La poudre a pénétré dans le palier – vérifier l’étanchéité du palier et le système de purge
Performances de la vis inférieures à la conception	Hélice montée dans le mauvais sens Mauvaise alimentation en poudre de la vis – vérifier l’alimentation en produit (absence de voûte ou de rat-hole)
Convoyeur à vis bloqué	Vérifier si la vanne de sortie est ouverte Vérifier le pas de la vis – le produit ne doit pas être compacté
Dosage imprécis avec la vis	Taille trop grande – vérifier la taille de la vis ou adapter le profil de l’hélice à l’extrémité de la vis