Comment prévenir et détecter les déchirures longitudinales des bandes transporteuses ? Analyse des causes et solutions de protection globale

Dans les mines souterraines de charbon et les usines de préparation, les mines et usines de traitement de minerais métalliques, les systèmes d'alimentation en charbon des centrales thermiques, les grands terminaux portuaires de vrac, ainsi que dans les secteurs de l'industrie lourde tels que le ciment et la métallurgie, les convoyeurs à bande constituent l'artère vitale qui garantit la continuité et la capacité élevée des opérations de transfert de matériaux en vrac. Dans l'ensemble de l'équipement de convoyage, la bande transporteuse à haute résistance (qu'il s'agisse d'une bande à câbles d'acier ou d'une bande à carcasse textile multicouche en polymère) non seulement supporte toute la charge de matière et la force de traction, mais sa valeur patrimoniale représente généralement 30 % à 50 % de l'investissement total en équipements initiaux de l'ensemble du convoyeur.

Toutefois, dans des conditions de fonctionnement continu à forte charge, en raison de la complexité des sources de matériaux et de l'énorme énergie cinétique d'impact au point de chargement, la bande transporteuse est constamment exposée à la menace mortelle de la perforation traversante et de la déchirure longitudinale. Dès qu'un objet étranger coupant perce la bande et se coince dans le châssis du convoyeur, sous la puissante force de traction du moteur d'entraînement, la bande peut être « éventrée » et déchirée sur des centaines de mètres, voire plusieurs milliers de mètres, en quelques minutes, voire quelques dizaines de secondes. Un tel accident catastrophique entraîne non seulement la mise au rebut de toute la bande coûteuse et un déversement de matière sur de grandes surfaces, mais s'accompagne aussi d'arrêts non planifiés de toute la ligne pendant plusieurs jours à plusieurs semaines, avec des pertes économiques incalculables et des risques cachés pour la sécurité de la production.

Pendant longtemps, les sites industriels sont souvent tombés dans le piège de la « réponse passive » face aux déchirures longitudinales : en s'appuyant uniquement sur un seul capteur de déchirure en aval pour arrêter après coup, la bande est souvent déjà déchirée sur des dizaines de mètres au moment où le détecteur agit ; et se fier uniquement à la trémie de déversement pour bloquer les objets ne permet pas de faire face à la perforation par de petits objets métalliques coupants. Par conséquent, construire un système de protection global tridimensionnel couvrant tout le cycle de vie, comprenant « l'amortissement des impacts et l'interception des objets étrangers en amont (prévention avant l'événement) » et « la surveillance en ligne multidimensionnelle à grande vitesse sur toute la section (verrouillage en millisecondes pendant l'événement) », est la seule voie technique pour parvenir à la sécurité intrinsèque et à la maintenance intelligente des systèmes de convoyage de matériaux en vrac.

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1. Mécanismes physico-mécaniques et causes essentielles des déchirures longitudinales des bandes transporteuses

La déchirure d'une bande n'est nullement une simple défaillance par usure, mais un processus de rupture mécanique soudaine qui combine concentration élevée de contraintes, perforation et arrachement mécaniques, et cisaillement par fatigue sous charges dynamiques. Dans les conditions réelles d'exploitation, les causes profondes des déchirures longitudinales peuvent être résumées en quatre scénarios typiques :

1. Perforation et coincement par compression d'objets étrangers coupants à forte hauteur de chute au point de chargement

C'est la forme la plus fréquente et la plus destructrice à l'origine de déchirures sur de longues distances. Les gros objets métalliques usagés mélangés lors de l'extraction ou du concassage (par exemple les marteaux en acier à haute teneur en manganèse cassés par le concasseur, les pics de haveuse, les boulons d'ancrage de soutènement minier, les grillages et les fragments de poutrelles en I), ou encore les gros blocs de stériles très durs et acérés, tombent à grande vitesse depuis des goulottes de transfert de plusieurs mètres de haut. Lorsque ces objets coupants pénètrent la surface de la bande sous un angle aigu spécifique et traversent la carcasse, leurs extrémités inférieures sont très facilement bloquées de manière rigide par le support de rouleaux situé en dessous, la traverse inférieure de la sortie de la trémie de transfert ou le bord de la goulotte de guidage. À ce moment, la bande en mouvement rapide glisse de force par rapport à la lame bloquée et fixe, et la lame fend rapidement toute la bande transporteuse dans le sens longitudinal comme un couteau acéré.

2. Desserrage et chute des garnitures de goulotte de transfert et rupture par fatigue des éléments structurels

Les parois intérieures des goulottes de transfert et de guidage sont revêtues en permanence de garnitures métalliques ou céramiques très dures et résistantes à l'usure. Sous les chocs et vibrations répétés de matériaux lourds, si les boulons de fixation des garnitures se rompent par fatigue, si les soudures se fissurent ou si les garnitures se détachent, les angles vifs relevés des garnitures dures et les plaques d'acier résistantes à l'usure tombées s'enfoncent directement dans la surface de travail de la bande, formant un « racloir » artificiel qui provoque une déchirure traversante de la bande.

3. Compression de gros blocs de matière, coincement et contre-poussée de matière

Lors du transport de gros charbon brut à forte teneur en humidité ou de minerai collant, les gros blocs se coincent facilement dans l'interstice minuscule entre les bavettes de la goulotte de guidage et la bande. Sous le frottement continu de la bande en mouvement, l'objet coincé génère une pression concentrée locale extrêmement élevée dirigée vers le bas, détruisant instantanément la couverture supérieure de la bande et fissurant la carcasse. En outre, l'accumulation par blocage de la goulotte provoque une contre-poussée de matière jusqu'au tambour de déchargement de tête, où la matière est écrasée entre le tambour et le brin retour de la bande, ce qui entraîne également un écrasement et un éclatement graves de la bande.

4. Frottement par déviation de la bande sur les bords et propagation des fissures de fatigue aux jonctions

Lorsque le convoyeur subit une forte déviation, le bord de la bande frotte durement contre la structure du châssis, ce qui provoque le décollement du caoutchouc de bord et expose les câbles d'acier ou les couches de toile de bordure. Dès que la jonction de câbles d'acier exposée s'accroche, en fonctionnement, à un fer cornière fixe ou à un support de rouleau le long de la ligne, la contrainte de traction déchire à angle droit l'intérieur de la bande ; en même temps, le vieillissement et le relèvement des dents de la jonction mécanique (agrafes de bande) ou le décollement de la jonction vulcanisée induisent également, sous l'impact de forces extérieures, une propagation rapide de la déchirure le long de la fissure endommagée.

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2. Système de prévention des déchirures : protection en amont et interception avec absorption d'énergie (unité A)

Une protection réellement de haut niveau doit résoudre les risques avant qu'ils ne surviennent. En déployant des « unités de prévention des déchirures » dans la zone de libération d'énergie de la matière et sur les sections de chargement à haut risque, il est possible d'éliminer à la source plus de 80 % des probabilités de perforation par des objets étrangers :

1. Unité de lit d'impact lourd à fort amortissement au point de chargement (dissipation de l'énergie cinétique de chargement et support sans discontinuité)

La zone de chargement d'un convoyeur traditionnel utilise généralement une structure à rouleaux amortisseurs, mais il existe inévitablement un espace physique de 100 mm à 200 mm entre les rouleaux. Dès qu'un objet coupant perce la bande, il s'enfonce de plus en plus profondément dans l'espace suspendu entre les rouleaux, pour finalement se coincer sur la rangée suivante de supports de rouleaux et provoquer une déchirure.

• Avantages structurels : le lit d'impact lourd est constitué de barres de support composites, disposées côte à côte et serrées, comprenant une couche de surface lisse en polyéthylène à très haut poids moléculaire (UHMWPE) et une couche de caoutchouc naturel à haute élasticité absorbant l'énergie. Il offre à la bande, dans la zone de chargement, un « support par contact de surface » totalement continu et plan, éliminant complètement les zones mortes suspendues entre les rouleaux.
• Mécanisme de protection : la couche superficielle en UHMWPE possède un coefficient de frottement extrêmement faible, de sorte que les objets coupants qui tombent ne peuvent pas trouver de prise pour se coincer, mais glissent dans le sens du déplacement ; le caoutchouc haute densité sous-jacent possède d'excellentes performances d'absorption des chocs et peut absorber et éliminer plus de 90 % de l'énergie cinétique d'impact vertical lors de la chute de gros blocs de minerai, empêchant la carcasse de la bande d'être transpercée et rompue par un impact de surcharge localisé.

2. Unité d'interception multi-étages mécanique et électromagnétique des objets étrangers (nettoyage préalable des ferrailles à haut risque)

• Blocage et tri à l'orifice de déchargement : des rideaux d'arrêt d'objets étrangers suspendus à fort amortissement, ou des doigts de guidage en peigne, sont installés à plusieurs étages à l'intérieur de la goulotte de transfert afin de peigner le flux de matière qui tombe en couches et de modifier de force l'orientation des longs boulons d'ancrage ou des pièces métalliques plates, pour qu'ils glissent à plat et n'attaquent pas la bande verticalement.
• Déferrisation puissante et détection de métaux en amont : un séparateur électromagnétique surpuissant autodéchargeant ou un séparateur à aimants permanents est raisonnablement monté en série sur la section de bande en amont de l'alimentation, et un détecteur de métaux à haute sensibilité est installé en avant du point de transfert. Lorsqu'un objet étranger non magnétique ou profondément enfoui à haut risque est détecté, le système peut émettre une alerte anticipée ou activer le volet de dérivation, éliminant complètement les gros objets métalliques en dehors de la zone de chargement.

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3. Système de détection des déchirures : capture en ligne multidimensionnelle en temps réel et freinage instantané (unité B)

Même avec une protection physique rigoureuse, la possibilité qu'un objet coupant très fin transperce la bande dans des conditions extrêmes ne peut être totalement exclue. Il faut donc une « unité de détection des déchirures » à haute sensibilité et à réponse en millisecondes pour identifier et freiner au moment même où la bande est percée, en limitant strictement la longueur de déchirure au plus petit intervalle possible :

1. Unité de détection des déchirures à câble pressé et à déplacement de poulie (détection mécanique sensible à la force de perforation)

Le détecteur de déchirure longitudinale à câble pressé est le dispositif de surveillance physique dont la technologie est la plus mature et la tolérance environnementale la plus élevée dans l'industrie ; il est généralement disposé immédiatement entre les rouleaux amortisseurs situés en aval de la section de chargement, ou sous la surface inférieure de la bande.

• Mécanisme de fonctionnement : un ou plusieurs câbles en acier inoxydable très flexibles sont tendus transversalement sous la surface inférieure de la bande transporteuse, l'extrémité du câble étant reliée à un mécanisme de verrouillage à micro-interrupteur de haute précision. Lorsqu'une lame acérée ou un stérile dur traverse la bande et dépasse sous la bande, la saillie à grande vitesse qui se déplace avec la bande appuie de force sur le câble transversal ou heurte le mécanisme à poulie.
• Action de réponse : au moment où le câble est comprimé, il surmonte la tension du ressort interne et se déplace, entraînant l'actionnement du micro-interrupteur et émettant instantanément un ou plusieurs jeux de signaux de contact sec. La structure bidirectionnelle à câble pressé permet non seulement de percevoir la pression de perforation verticale, mais aussi de capter les forces extérieures obliques de traction, réalisant un actionnement sans angle mort.

2. Unité de détection par capteur de force de fuite/déchirure de matière (capture des caractéristiques de fuite de matière)

Lorsque la bande transporteuse présente une lésion traversante longitudinale ou une fissure, les matières pulvérulentes fines et les petites particules présentes sur la surface porteuse s'écoulent rapidement vers le bas à travers la fissure traversante.

• Mécanisme de fonctionnement : une goulotte de réception dédiée ou un plateau de fuite est installé sous le profilé en U du brin porteur, et un capteur de poids ou un mécanisme d'équilibrage de moment de force est disposé sous le plateau.
• Action de réponse : lorsque la bande est intacte, aucun matériau ne s'accumule sur la plaque de réception ; dès qu'une fissuration locale provoque une fuite continue, la charge dynamique générée par l'accumulation de matière qui tombe dépasse le seuil défini, et le capteur de force déclenche immédiatement le verrouillage de coupure d'alimentation, évitant qu'une expansion à long terme de micro-fissures dissimulées ne conduise à une rupture sur toute la section.

3. Unité de surveillance des défauts de bord par vision artificielle et IA (inspection optique intelligente sans contact)

Avec l'avancement de la digitalisation industrielle, les technologies de détection intelligentes basées sur la vision artificielle et l'apprentissage profond deviennent une ligne de défense importante pour les lignes de convoyage de matériaux en vrac haut de gamme.

• Configuration technique : sur la surface inférieure de la bande transporteuse ou sur la section propre après déchargement, sont installées des caméras industrielles à balayage linéaire à grande vitesse, étanches à la poussière et antidéflagrantes, ainsi qu'un système d'éclairage auxiliaire à lumière structurée laser spécial.
• Algorithme d'analyse : la caméra acquiert en continu et à grande vitesse des images de la surface non travaillante de la bande, et l'unité de calcul en périphérie IA effectue en temps réel une segmentation sémantique profonde et une extraction de caractéristiques de la texture de surface de la bande. Le système peut identifier automatiquement, à l'échelle de la milliseconde, la profondeur des rayures, les perforations anormales, les fissures longitudinales, les boursouflures locales avec déchirure et les bavures d'arrachement des bords sur la surface inférieure de la bande. Selon le niveau de gravité du défaut, le système peut émettre automatiquement des alertes graduées ou entraîner le déclenchement instantané du relais et l'arrêt.

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4. Tableau comparatif des caractéristiques techniques et des scénarios d'application des unités de prévention et de détection

Afin de permettre aux concepteurs et aux équipes d'exploitation et de maintenance d'adapter raisonnablement la configuration du système aux caractéristiques des matériaux sur site, le tableau suivant synthétise systématiquement les paramètres techniques des principales unités de protection contre les déchirures et de détection :

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5. Boucle fermée de verrouillage hiérarchisé tridimensionnelle « prévention avant l'événement + coupure instantanée de l'alimentation en millisecondes »

L'intégration profonde des unités de prévention en amont et des unités de détection multidimensionnelles dans le système de contrôle PLC/DCS du site permet de construire une boucle fermée de protection par verrouillage de tout le processus, clairement structurée :

1. Premier niveau : dissipation de l'énergie cinétique à la source et interception des objets étrangers (défense passive permanente) Après avoir été peignée dans la goulotte et interceptée par les équipements de déferrisation, la matière tombe dans la zone du lit d'impact. Le lit d'impact à haute résistance réduit de plus de 80 % la contrainte d'impact au chargement et, grâce à sa surface lisse à faible résistance, force les objets étrangers qui pénètrent occasionnellement à glisser dans le sens d'avancement de la bande, les empêchant de se dresser verticalement et de se ficher dans les angles morts de la structure.
2. Deuxième niveau : identification précoce des états anormaux et alerte de correction de déviation (auto-rétablissement dynamique à faible charge) Lorsque la sonde de détection visuelle ou de détection de bord capte des rayures superficielles, de petites fissures locales ou une usure légère du bord sur la surface de la bande, le système la classe comme un danger latent non traversant. Le système de contrôle central enregistre automatiquement les coordonnées spatiales du défaut sur toute la longueur de la bande (positionnement kilométrique) et le signale en rouge sur l'écran de surveillance, en informant le personnel de maintenance qu'il devra y prêter une attention particulière lors du prochain arrêt planifié, afin d'éviter des arrêts d'urgence non planifiés et aveugles qui affecteraient la production continue.
3. Troisième niveau : déclenchement et coupure d'alimentation en millisecondes en cas de perforation traversante (verrouillage matériel comme limite inférieure de protection) Lorsque la sonde à câble pressé ou la sonde de détection de déchirure perçoit la perforation par un objet étranger ou une variation brutale de la traction transversale, le dispositif de détection coupe directement en série le circuit de bobine du contacteur du moteur principal par un contact matériel normalement fermé (NC) à haute fiabilité, et envoie simultanément au PLC un signal d'interruption d'arrêt d'urgence de priorité maximale.
   • Le système coupe de force l'alimentation du moteur d'entraînement en 0,1 seconde et, en coordination avec le variateur de fréquence et le frein à disque mécanique lourd, applique un freinage d'urgence puissant sous pression.
   • Le système de contrôle par verrouillage arrête simultanément, avec un retard de l'ordre de la nanoseconde, tous les alimentateurs et bandes d'alimentation en amont, éliminant complètement l'entraînement par inertie et limitant l'accident de déchirure dévastateur, qui atteint habituellement des centaines de mètres, aux premiers mètres.

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6. Normes d'installation standardisées sur site et principes de gestion de la maintenance à long terme

Pour garantir que le système de prévention et de détection des déchirures reste longtemps sensible et fiable à 100 %, l'installation technique et la maintenance quotidienne doivent appliquer strictement des procédures d'exploitation standardisées :

1. Calibrage scientifique du positionnement d'installation et des jeux :
   • Le jeu à vide entre le câble de détection du détecteur de déchirure à câble pressé et la surface inférieure de la bande transporteuse doit être précisément réglé, généralement maintenu entre 20 mm et 30 mm. Si le jeu est trop grand, une lame fine ne peut pas toucher le capteur ; s'il est trop petit, le fléchissement et le rebond normaux de la bande à pleine charge peuvent provoquer de graves fausses alarmes.
   • Le jeu d'ajustement entre le lit d'impact et les bavettes de la goulotte de guidage doit rester uniforme et régulier, et il est strictement interdit de laisser un « interstice de coincement en forme de coin », étroit à l'avant et large à l'arrière.
2. Simulation pratique manuelle régulière et vérification fonctionnelle :
   • Chaque semaine, pendant la fenêtre d'arrêt pour maintenance, un agent de sécurité désigné doit appuyer manuellement sur la tringlerie du câble pressé ou tirer le câble pour vérifier que le voyant d'arrêt de la console et l'action du circuit de coupure d'alimentation du moteur sont sensibles et fiables, afin d'éviter tout blocage mécanique par rouille ou toute défaillance par oxydation du câblage des contacts de l'interrupteur après une longue période de non-utilisation.
3. Maintenance de la propreté des surfaces des composants de détection :
   • Le capot de protection et la fenêtre transparente de l'unité de détection par vision IA doivent être équipés de dispositifs réguliers de soufflage d'air comprimé automatique pour le dépoussiérage, ou de lavage à l'eau avec racleur, afin d'empêcher la poussière de charbon en suspension et la condensation d'humidité sur site de salir l'objectif et de provoquer des erreurs d'interprétation optique.
   • Éliminez régulièrement les matières durcies accumulées autour du mécanisme à câble pressé et du plateau de réception, afin de garantir la libre rotation de toutes les articulations mobiles soumises aux efforts et une élasticité de rappel automatique suffisante des ressorts.

Grâce à la mise en œuvre scientifique de l'amortissement au chargement et de l'interception des objets étrangers à la source du procédé, complétée par une perception mécanique et visuelle en ligne multidimensionnelle très sensible, les systèmes industriels de convoyage de matériaux en vrac peuvent établir une ligne de défense indestructible et éliminer complètement le point de douleur sectoriel de la déchirure longitudinale, dont les conséquences sont considérables.

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