CA2496944C - Treuil du type dit a cabestan - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un treuil (1) du type dit à cabestan comprenant des tambours (2, 3) entraînant un câble (C)et muni d'une paroi périphérique (22, 32) autour de laquelle sont enfilés des anneaux périphériques indépendants (40-45, 50-55). Ces anneaux sont munis d'une gorge périphérique destinée à recevoir le câble (C) et sont réalisés en matériau élastique de façon à permettre, à la fois, un entraînement du câble (C)et un glissement relatif entre les anneaux périphériques (40-45, 60-55) et la paroi périphérique (22, 32), le glissement relatif étant d'amplitude sensiblement égale aux déformations longitudinales du câble (C), lorsqu'il est soumis à des tensions. Les deux tambours (2, 3) peuvent être décalés axialement l'un par rapport à l'autre (p/2) et leurs axes de rotation (.DELTA.1, .DELTA.2) présenter un angle d'inclinaison non nul. Application notamment à la recherche pétrolière en eau profonde.

Description

TREUIL DU TYPE DIT Ä CABESTAN
L'invention concerne un treuil du type dit à cabestan, notamment à deux tambours.
Elle s'applique plus particulièrement à un treuil destiné à entraîner des très fortes charges par (intermédiaire d'un câble, une partie non négligeable de la charge précitée étant d'ailleurs souvent constituée par le poids .du câble, généralement de fort diamètre et de très grande longueur une fois déroulé.
L'invention concerne encore (application d'un tel treuil aux technologies du type dit "Off shore", de façon générale aux industries de recherche pétrolière ou similaire, à (océanographie et aux dragages en grandes profondeurs, etc.
~o Dans le cadre de l'invention, le terme "treuil" doit étre compris dans son sens le plus général.
Pour fixer les idées, on se placera dans ce qui suit dans le cas de l'application préférée de (invention, à savoir la recherche pétrolière nécessitant des descentes et/ou remontées de charges en grandes profondeurs.
~s Les treuils à cabestan, de types simple tambour ou double tambour, existent depuis longtemps, mais présentent l'inconvénient de provoquer très rapidement des usures du câble entraîné. Ceci est dû au principe méme de fonctionnement. En effet le câble est entraîné par adhérence. Au fur et à
mesure que la tension qui s'exerce sur le câble augmente, celui-ci s'allonge et sa vitesse 20 linéaire augmente d'autant. Les gorges d'entraînement dont sont munis les tambours du treuil étant totalement rigides, il en résulte un glissement relatif entre le câble et les gorges, d'où une usure importante, et du câble, et des gorges.
En vue d'essayer de pallier ces inconvénients, il a été proposé, dans fart connu, de nombreuses modifications. Des améliorations ont été apportées à ce 2s type de treuil pour limiter le glissement, mais sans jamais le supprimer tout à fait.
II existe d'ailleurs de nombreux types de treuils. On connaît notamment les treuils à tambours) rappelés ci-dessus, à cabestan, ou de type dit "traction winch"
selon la terminologie anglo-saxonne, et à poulies multiples.
Dans le brevet français N° 90 14 612, publié sous le numéro FR 2 30 701 B1, intitulé : "Poulie d'adhérence", la Demanderesse a proposé une poulie FEUILLE DE REMPLACEMENT (REGLE 26)

2 permettant de transmettre une force de traction à un câble. La poulie comprend une roue et une bande sans fin enroulée sur la surface périphérique de la roue pour supporter le câble à entrainer. La bande sans fin est consfiituée par une succession de patins espacés pouvant glisser avec frottement sur la roue, chaque patin étant relié au suivant par un élément de liaison extensible élastiquement, dont le module d'élasticité longitudinale et/ou les dimensions sont choisis de telle sorte que, en service, l'allongement de la bande sans fin corresponde à celui du câble sous une tension maximale déterminée.
Pour une description plus détaillée des caractéristiques de ce dispositif, ~o on se reportera avec profit au brevet précité.
Ces dispositions permettent de supprimer pratiquement tout glissement.
Des treuils mettant en owre la technologie enseignée par le brevet ont d'ailleurs été réalisés et utilisës. Ils répondent tout à fait aux buts que s'est fixé le brevet ci-dessus, du moins pour une gamme d'applications bien déterminée.
~s En effet, la technologie mise en oeuvre ne permet pas de fabriquer des treuils susceptibles de soulever des charges supérieures à 50 Tonnes (490 kN
environ). De plus, ce type de treuil est assez sensible et quelque peu instable en utilisation. Enfin, on peut constater dans certaines circonstances des échauffements importants du faifi du glissement de la bande sans fin, notamment 2o sur les bords du tambour.
Or, actuellement, les industries de recherche pétrolières, notamment, nécessitent, des treuils capables d'entrainer de très fortes charges, typiquement égales ou supérieures à 200 T (1960 kN environ), ce en eaux très profondes (2000 m à 3000 m, voire 10000 m pour certaines applications). Seuls des câbles 25 synthétiques (dont le poids apparent dans l'eau est très faible, voire nul) peuvent être utilisés pour ce type d'applications. Cependant, ces câbles sont très onéreux, ce qui exclut l'utilisation de treuils classiques. En effet, comme précédemment rappelé, des treuils de ce type les détérioreraient trop rapidement.
Enfin, certains câbles sont dotés d'une structure complexe. En effet, à la so fonction dassique de traction ou de retenue de charges, il est parfois dévolu aux câbles des fonctions annexes : transport d'énergie, par exemple électrique (câbles dits électro-porteurs), ou transmission de signaux analogiques ou de données

3 PCT/FR2003/050040 numériques, par exemple via des fibres optiques internes (câbles dits opto-porteurs). On conçoit que ce type de câble soit particulièrement onéreux et qu'une usure prématurée n'est pas admissible économiquement.
L'invention vise à pallier les inconvénients des dispositifs de l'art connu, et s dont certains viennent d'étre rappelés, tout en répondant aux besoins qui se font sentir, notamment dans le cadre de l'application préférée de l'invention.
L'invention se fixe pour but un treuil permettant, notamment, de soulever des charges importantes, par l'intermédiaire d'un câble, tout en supprimant substantiellement les glissements dus à l'allongement du câble entrainant lesdites charges, ce qui permet d'éviter une usure prématurée.
Pour ce faire, selon une première .caractéristique importante, le treuil selon l'invention met en owre la technique, connue en soi, de l'entrainement du type dit cabestan à deux tambours. II s'agit d'une technique sûre, et reconnue comme telle, ce qui permet de profiter de ses avantages.
Selon une deuxième caractéristique importante, on met en owre une série d'anneaux fermés indépendants, en matériau à propriété élastique, concentriques aux deux tambours. Cette disposition permet de conserver les avantages inhérents au dispositif objet du brevet français N° 9014 612 précité, à
savoir pouvoir éviter les glissements relatifs entre la gorge et le câble, tout en 2o évitant les inconvénients rappelés.
Les anneaux précités sont munis de gorges usinées en périphérie dans lesquelles s'insèrent le câble à entrainer.
Le matériau constituant les anneaux doit avoir des caractéristiques physico-chimiques qui lui permettent de supporter les charges et les pressions 2~ exercées, pour une application donnée, ainsi que de se déformer pour s'allonger de la méme valeur que le câble dans les mëmes conditions.
Par ailleurs, les caractéristiques de frottement doivent être telles qu'elles permettent d'entrainer en toute sëcurité le câble par le tambour. Aucun mouvement relatif entre le câble et les gorges des anneaux n'existe donc. Par contre, le corps 3o de l'anneau doit pouvoir glisser sur le tambour (mouvement relatif très faible dû à
faliongement).

4 Dans une variante préférée de réalisation de l'invention, afin de réduire au maximum les frottements du câble sur les gorges, les anneaux sont avantageusement décalés axialement d'une fraction d'un pas, avantageusement d'un demi pas, le pas étant défini par la distance séparant les fond des gorges de deux anneaux adjacents d'un mëme tambour.
Dans une variante préférée encore, les axes des deux tambours peuvent ne pas étre parallèles, afin de limiter encore plus les frottements. En d'autres termes les axes forment entre eux un angle de faible amplitude, typiquement entre 0,5 ° et 3°.
~o Enfin, bien que dans un mode de réalisation préféré, le nombre de tambours est ëgal à deux, il est possible de concevoir des treuils comportant un plus grand nombre de tambours, sans sortir du cadre de l'invention.
Du fait des dispositions adoptées, l'invention présente de nombreux avantages, parmi lesquels les suivants 15 - il est possible de travailler avec n'importe quel type de câbles : acier, synthétiques, normaux, électro-porteurs ou opto-porteurs, etc. ;
- il est possible de recourir à de très grands diamètres d'enroulement ;
- on ne constate, comme il a été rappelé, aucun mouvement de glissement relatif entre le câble et la gorge des anneaux, ou pour le moins d"amplitude 2o négligeable ;
- les anneaux ne subissent qu'un infime déplacement circonférentiel sur le tambour, mais aucun déplacement axial, contrairement à un treuil à bande conforme au brevet français N° 90 14 612 précité : cette caractéristique permet de limiter considérablement l'échauffement de la bande, ainsi que son usure 2s déjà très limitée ;
- de même l'absence de déplacement axial permet de supprimer les roulements de déviation qui étaient nécessaires dans le cas d'un treuil à
bande, roulements fragiles et onéreux ;
- la quasi-absence d'échauffement permet aussi de supprimer tous systèmes 3o de refroidissement du tambour ;
- l'utilisation d'un treuil conforme à l'invention est très simple, sure et fiable, et ne nécessite pas la présence de personnel spécialisé en permanence ;

- les anneaux sont simples à produire et à usiner ; et - ils sont facilement interchangeables, ce qui permet de changer de câble utilisé (diamètre et/ou type) sans modifications majeures du treuil proprement d it.
s L'invention a donc pour objet principal un treuil du type dit à cabestan, comprenant au moins deux tambours disposés en vis-àwis entrainant une charge par l'intermédiaire d'un câble enroulé sur lesdits tambours en un nombre prédéterminé de spires, caractérisé en ce que chacun desdits tambours comprend une paroi périphérique et est muni d'un nombre prédéterminé
~o d'anneaux périphériques en matériau élastique, indépendants les uns des autres, enfilés autour de ladite paroi périphérique, en ce que lesdits anneaux périphériques sont munis, chacun, d'une gorge périphérique destinée à recevoir ledit câble, et en ce que le matériau élastique constïtuant lesdits anneaux périphériques est doté de caractéristiques physico-chimiques telles qu'il permet, à
la fois, un entrainement dudit câble et un glissement relatif entre une paroi inférieure desdits anneaux périphériques en contact avec ladite paroi périphérique des tambours et cette paroi, ledit glissement relatif étant d'amplitude sensiblement égale à des déformations longitudinales subies par ledit câble, lorsqu'il est soumis à des tensions d'amplitudes variables.
2o L'invention a encore pour objet l'application d'un tel treuil à la recherche péfirolière ou similaire en eau profonde, pour la descente et/ou la remontée de charges importantes.
L'invention va maintenant étre décrite de façon plus détaillée en se référant aux dessins annexés, parmi lesquels 2s - la figure 1 illustre schématiquement un exemple de réalisation d'un treuil selon un premier mode de réalisation préféré de l'invention, en vue de haut et en coupe partielle ;
- la figure 2 est une vue de détail du treuil de la figure 1, illustrant plus particulièrement les anneaux indépendants en matériau élastique munis so de gorges périphériques destinées à recevoir un câble ;
- la figure 3 illustre schématiquement le fonctionnement du treuil des figures 1 et 2 ; et - la figure 4 illustre, en vue de côté, un deuxième mode de réalisation préféré de treuil selon l'invention.
Dans ce qui suit, sans en limiter en quoi que ce soit la portée, on se placera ci-après dans le cadre de l'application préférëe de l'invention, sauf mention contraire, c'est-à~dire dans le cas des applications dites "off-shore"
recherche pétrolière ou similaire impliquant des descentes et/ou remontées de charges en grandes profondeurs, par l'intermédiaire d'un câble.
Un exemple d'un premier mode de réalisation préféré d'un treuil conforme à l'invention va être décrit par référence aux figures 1 à 3.
~o Sur ces figures, les éléments identiques portent les mêmes références et ne seront re-décrits qu'en tant que de besoin.
La figure 1 illustre schématiquement le treuil 1, en vue de haut et en coupe partielle. Ce treuil 1 comporte deux sous-ensembles comprenant chacun essentiellement un moteur d'entrainement, 6 et 7, respectivement, et un tambour ~5 d'entrainement d'un câble C, 2 et 3, respectivement.
Cet ensemble présente donc la structure générale, connue en soi, d'un treuil dit "bi-cabestan". II en conserve également les avantages, également bien connus, comme il a été rappelé.
Les tambours, 2 efi 3, sont munis d'arbres rotatifs centraux, 20 et 30, 2o respectivement, autour d'axes de rotation d~ et ~2. Dans l'exemple décrit, les arbres, 20 et 30 sont creux et concentriques à des arbres d'entrainement, 60 et 70, mus par les moteurs respectifs 6 et 7.
II doit étre clair que, dans un mode de réalisation pratique, des organes de démultiplication du type engrenages, boïte de vitesse ou similaires peuvent 25 étre avantageusement prévus. Cet aspect sort du cadre strict de l'invention et est à
la portée de l'homme de métier. II. s'agit de dispositions communes, en soi, à
l'art connu. II est donc inutile de les décrire plus avant.
Les tambours, 2 et 3, comprennent une paroi périphérique cylindrique, 22 et 32, respectivement, soutenue par au moins deux pièces radiales centrales 30 (deux par tambours dans l'exemple décrit), 24 et 34, respectivement.

Des paires d'anneaux latéraux, 21 a-21 b et 31 a-31 b, sont disposés de part et d'autre des parois périphériques, 22 et 32.
Chacune des parois périphériques, 22 et 32, forme avec la paire d'anneaux latéraux qui lui est associée, 21 a-21 b et 31 a-31 b, respectivement, une gorge que l'on appellera ci-après "gorge de tambour".
Selon une caractéristique importante de l'invention, on enfile sur les parois périphériques, 22 et 32, dans les gorges de tambour précitées, une série d'anneaux périphériques indépendants, 40-45 et 50-55, respectivement. Ces anneaux sont réalisés en matériau élastique, par exemple un matériau ~o synthétique.
Comme le montre plus particuliërement la figure de détail 2, les parois inférieures, par exemple 431 à 451, des anneaux périphériques, 43 à 45, sont substantiellement planes, de manière à se trouver en contact intime avec les parois périphériques, 22 et 32 (figure 1 ), des tambours, 2 et 3.
~s Les anneaux périphériques, 40-45 et 50-55 (figure 1), sont munis de gorges usinées également en périphérie, dont deux sont visibles sur la figure 440 et 450, pour les anneaux respectifs 44 et 45. Ces gorges, 440 et 450, ayant avantageusement la forme d'un "V" arrondi en son fond, sont destinées à
recevoir le câble C d'entraînement. Les dimensions (profondeur, largeur, rayon du cercle 2o de fond, etc.) sont naturellement adaptées pour la réception d'un type de câble, voire d'une gamme de câbles distincts.
On comprend aisément que le montage (insertion et positionnement) d'anneaux périphériques, 40-45 et 50-55, ou leur remplacement, par des anneaux identiques (pour des raisons de maintenance, par exemple) ou par des anneaux 2s différents (par exemple, pour accepter un câble de type et/ou de diamètre également difFérent), est aisé. II est seulement nécessaire que les paires d'anneaux latéraux, 21 a-21 b et 31 a-31 b, (pour le moins un des anneaux de chaque paire) soient amovibles, c'est-à~dire démontables. II suffit alors d'enfiler les anneaux périphériques, 40-45 et 50-55, sur les tambours, 2 et 3, autour des parois 3o cylindriques, 22 et 32, et de remonter les arïneaux latéraux, 21 a-21 b et 31 a-31 b.

Les anneaux latéraux, 21 a-21 b et 31 a-31 b, peuvent être assujettis aux parois latérales par tous organes appropriés : vis, etc.
A priori, le nombre d'anneaux, 40-45 et 50-55, peut être quelconque, il ne dépend que du nombre de tours (spires) souhaité pour le câble C autour des tambours, 2 et 3. C'est ce nombre de tours qui va constituer le facteur déterminant de la démultiplication de force obtenue, conformément au principe de fonctionnement bien connu d'un cabestan. Pour fixer les idées et à titre d'exemple, on choisit typiquement un nombre d'anneaux périphériques compris entre cinq et sept, voire plus.
~o La figure 3 illustre schématiquement le fonctionnement d'un treuil 1 conforme au mode de réalisation illustré par les figures 1 et 2. Le câble C
est enroulé dans les gorges (440 et 450, figure 2) des anneaux périphériques, 40-et 50-55, de façon à former plusieurs boucles ou spires autour des tambours, 2 et 3. Pour fixer les idées, du fait de la démultiplication obtenue par cette disposition, la force de tension en sortie F peut être, par exemple de 9 T (88 kN environ) pour une force de tension F' en entrée de 3 kN.
En entrée, le câble C est enroulé/déroulé sur ou à partir d'un dispositif de stockage (non représenté). Cet organe peut être choisi parmi ceux utilisés communément dans l'état de la technique et il est inutile de le décrire plus avant.
2o Toujours selon une des caractéristiques importantes de l'invention, le matériau constitutif des anneaux périphériques, 40-45 et 50-55, doit pouvoir, à la fois, comme il a ëté rappelé dans le préambule de la présente description, supporter les charges et pressions exercées, se déformer pour s'allonger en même temps que le câble C. En outre, il doit posséder des caractéristiques de 2s frofitement qui permettent d'entraîner le câble C en toute sécurité, par friction (adhérence).
II s'agit donc d'exigences, a priori antinomiques, mais qui peuvent être satisfaites par un compromis, notamment par un choix approprié du matériau constitutif des anneaux périphériques, 40-45 et 50-55, et de celui des parois so périphëriques, 22 et 32, des tambours, 2 et 3.

Pour fixer les idées, on peut choisir pour les anneaux, 40-45 et 50-55, un matériau synthétique de type polyuréthane, polyéthylène ou similaire.
De même les parois périphériques, 22 et 32, des tambours, 2 et 3, peuvent être réalisées, notamment, en acier inoxydable ou en acier revêtu de s céramique, ce qui assurera l'adhérence précitée.
Le câble C, et ceci constitue un avantage supplémentaire, peut être de type quelconque comme il a ëté rappelé dans le préambule de la présente description : câble en acier, en matériau synthétique, câble dit électro-porteur ou opto-porteur, etc, même de type onéreux. En effet, une usure prématurée n'est ~o plus à craindre.
Dans le mode de réalisation préféré, comme illustré par les figures 1 à2, selon une caractéristique avantageuse, on peut prévoir un décalage axial, c'est-à-dire suivant une direction parallèle aux axes 0~ et 42 que l'on a implicitement supposé, jusqu'à ce point de la description, parallèles entre eux.
~5 Si on appelle p le pas entre deux anneaux périphériques adjacents d'un méme tambour, c'est-à-dire la distance séparant deux fonds de gorges (voir par exemple figure 2 : gorges 440 et 450), on choisit préférentiellement un décalage axial égal à un demi pas, soit p/2, comme illustré plus particulièrement par la figure 1.
2o Cette disposition permet une plus grande limitation des frottements.
De même, les axes de rotation peuvent ne pas être parallèles entre eux.
La figure 4 illustre, en vue de côté, un exemple de réalisation pratique d'un treuil conforme à l'invention, plus précisément un treuil selon un deuxième mode de réalisation préféré.
2s Sur cette figure, seuls les éléments indispensables à la bonne compréhension de l'invention ont été référencés.
Selon la particularité essentielle de ce deuxième mode de réalisation préféré, les axes de rotation, ici référencés ~'~ et ~'~, associés aux tambours, ici référencés 2' et 3', forment entre eux un angle de faible amplitude a. Les so tambours, 2' et 3', sont entraînés par des moteurs, ici référencés, 6' et 7', respectivement, via des organes classiques de report d'angle et d'engrenages, référencés globalement, 60' et 70', respectivement.
Pour fixer les idées, l'angle a est typiquement compris entre 0,5 °
et 3 °.
L'angle a est calculé à partir du pas p précité (voir figures 1 et 2) du s diamètre d'enroulement du câble C. Toujours pour fixer les idées, dans l'exemple illustré sur la figure 4, l'angle a est égal à 2,32 °.
Cette disposition permet également une plus grande limitation des frottements.
En outre, elle est tout à fait compatible, et donc cumulable, avec la dispositiôn précédemment décrite consistant à effectuer un décalage axial, préférentiellement d'un demi-pas p/2.
A la lecture de ce qui précède, on constate aisément que l'invention atteint bien les buts qu'elle s'est fixés.
Le treuil selon l'invention présente de nombreux avantages, qui ont été
précédemment énumérés.
Sans tous les rappeler, on mettra l'accent sur le fait qu'il permet de réduire au maximum les frottements du câble sur les gorges des tambours et de limiter corrélativement l'usure des câbles. II permet de ce fait d'envisager l'utilisation de câbles de tous types, méme onéreux, leur durée de vie étant 2o prolongée.
Les pièces spécifiques à l'invention, essentiellement les anneaux périphëriques, sont simples à produire et à usiner, et ne nécessitent pas d'avoir recours à des matériaux particulièrement onéreux. Ils sont en outre facilement interchangeables, ce qui permefi de changer le câble utilisé, sans modifications 2s majeures du treuil.
II doit étre clair cependant que l'invention n'est pas limitée aux seuls exemples de réalisations explicitement décrits, notamment en relation avec les figures 1 à 4.
Enfin, les exemples numériques n'ont été fournis que pour mieux fixer les 3o idées et ne sauraient constituer une quelconque limitation de la portée de l'invention. Ils procèdent d'un choix technologique à la portée de l'Homme de Métier.
L'invention n'est pas non plus limitée, comme il a été indiqué, à la seule recherche pétroliére ou, de fiaçon plus générale, aux applications dites "off-shore"
en grande profondeur, mëme si elle trouve une application particulièrement intéressante dans ces domaines.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Treuil du type dit à cabestan, comprenant au moins deux tambours disposés en vis-à-vis entraînant une charge par l'intermédiaire d'un câble enroulé sur lesdits tambours en un nombre prédéterminé de spires, dans lequel chacun desdits tambours comprend une paroi périphérique et est muni d'un nombre prédéterminé d'anneaux périphériques en matériau élastique, indépendants les uns des autres, enfilés autour de ladite paroi périphérique, lesdits anneaux périphériques étant munis, chacun, d'une gorge périphérique destinée à recevoir ledit câble, et le matériau élastique constituant lesdits anneaux périphériques étant doté de caractéristiques physico-chimiques telles qu'il permet, à la fois, un entraînement dudit câble et un glissement relatif entre une paroi inférieure desdits anneaux périphériques en contact avec ladite paroi périphérique des tambours et cette paroi inférieure, ledit glissement relatif étant d'amplitude sensiblement égale à des déformations longitudinales subies par ledit câble, lorsqu'il est soumis à des tensions d'amplitudes variables.

2. Le treuil selon la revendication 1, dans lequel chacun desdits tambours est muni d'une paire d'anneaux latéraux, au moins un des anneaux latéraux de chaque paire étant démontable, de manière à permettre le positionnement desdits anneaux périphériques autour de ladite paroi périphérique des tambours, ou leur retrait.

3. Le treuil selon la revendication 1 ou 2, dans lequel lesdits anneaux périphériques sont réalisés dans un matériau synthétique.

4. Le treuil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel lesdites parois périphériques des tambours sont réalisées en acier inoxydable ou en acier revêtu de céramique.

5. Le treuil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la distance entre les gorges de deux anneaux adjacents d'un même tambour définit un pas, chacun desdits tambours tournant autour d'un axe de rotation, et lesdits tambours étant décalés axialement, l'un par rapport à l'autre, d'une fraction dudit pas.

6. Le treuil selon la revendication 5, dans lequel ladite fraction est égale à
un demi-pas.

7. Le treuil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel chacun desdits tambours tourne autour d'un axe de rotation et lesdits axes de rotations forment entre eux un angle non nul.

8. Le treuil selon la revendication 7, dans lequel ledit angle est compris entre 0,5° et 3°.

9. Application du treuil selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, à la recherche pétrolière en eau profonde.