Brevet FR2101121A1 — publié le 19720331

La présente invention concerne le matériel destiné à fabriquer les échangeurs thermiques et les appareils chimiques à tubes en spirale ; elle a, notamment, pour objet un procédé d'enroulement d'un tube en spirale double et une machine pour la mise en oeuvre de ce procédé. les spirales réalisées par la machine faisant ltobjet de l'invention peuvent être employées avec un succès maximal dans les réchauffeurs de l'eau d'alimentation des chaufferies travaillant sous une pression allant jusqu'à 300 atm. On connait bien un procédé de fabrication de spirales doubles, prévoyant la confection d'une spirale plate, le soudage d'un tube rectiligne à la spire intérieure de la spirale, puis l'enroulement de ce tube en spirale plane, qui constitue avec la spirale enroulée précédemment une seule spirale double. Il va de soi que la soudure abaisse la fiabilité de l'échangeur thermique réalisé avec lesdites spirales, et que la fabrication de ces spirales nécessite des opérations supplémentaires telles que le transport de la spirale à la soudeuse et inversement, l'ehlèvement du bourrelet interne après soudage. On connait bien également un procédé d'enroulement d'une spirale double par rotation de galets cintreurs autour d'un mandrin en sens contraires. Dans ce procédé, les deux parties de la spirale double se forment simultanément. Toutefois, pour réaliser ce procédé, il faut une aire de production importante, compatible avec la longueur du tube. Dans ce cas, la longueur du tube enroulé en spirale est limitée à cause des grandes difficultés rencontrées dans l'élimination des inflexions des bouts du tube. le but de l'invention est d'éviter les difficultés indiquées. Il s'agissait donc de créer un procédé d'enroulement d'un tube en spirale double et une machine pour sa mise en oeuvre qui assureraient l'enroulement du tube en spirale au fur et à mesure de son arrivée sur un mandrin, ce qui rendrait possible la fabrication d'une spirale à partir d'un tube non rabouté de longueur relativement grande sur une aire de production relativement réduite , grâce à une réalisation appropriée dudit mandrin et des galets cintreurs, ainsi qu a des modes appropriés d'exécution des opérations. La solution consiste à cintrer le tube autour d'un mandrin à l'aide de deux galets cintreurs décalés l'un par rapport à l'autre le long de l'axe longitudinal du mandrin. L'un de ces galets est animé d'un mouvement de rotation autour du mandrin et, simultanément, on imprime au mandrin, autour de son axe longitudinal, un mouvement de rotation dans le meme sens que celui du galet, avec une vitesse angulaire deux fois plus petite que la vitesse angulaire dudit galet.Dans ce cas, une première partie de ladite spirale double est formée dans l'espace annulaire entre la trajectoire du galet en rotation, et le mandrin, et l'autre partie de la spirale est formée parallèlement à ladite première partie par suite du contact du tube avec le galet dont l'axe de rotation est fixe lors de la rotation du mandrin entraînant le tube. Un tel procédé de fabrication des spirales doubles augmente notablement la productivité du travail. Pour réaliser ce procédé, on a conçu une machine comportant un mandrin et deux galets cintreurs. Dans cette machine, suivant l'invention, le mandrin est monté entre deux butées discoides coaxiales avec lui. L'un des galets cintreurs est monté sur une base fixe, et le second galet est monté sur un porte-galet fixé à un cylindre coaxial avec le mandrin. le mandrin et le porte-galet sont reliés à un système moteur leur faisant exécuter des déplacements angulaires, le déplacement angulaire du mandrin étant deux fois plus petit que le déplacement angulaire du porte-galet.Il est prévu un dispositif pour l'avancement du tube vers le mandrin, comprenant au moins deux paires de galets d'avance, dans chacune desquelles un galet est menant, et l'autre mené ; les galets menés sont reliés à un actionneur leur imprimant un mouvement de translation qui les rapproche ou les écarte des galets menants. le galet cintreur, monté sur une base fixe, et le mandrin sont reliés à des actionneurs qui leur impriment un mouvement de translation le long de leurs axes de rotation. Une telle réalisation de la machine permet de fabriquer une spirale double à partir d'un tube non rabouté de longueur relativement grande, les deux parties de la spirale étant formées simultanément. Pour diminuer la valeur du déplacement des galets d'avance, on les a montés de telle façon que leurs axes de rotation soient perpendiculaires aux axes de rotation du mandrin et des galets cintreurs. Il est avantageux de disposer les axes de rotation du mandrin et des galets cintreurs horizontalement, afin que la spirale se forme dans un plan vertical. On obtient ainsi une diminution notable de l'aire de production sur laquelle s'effectue le formage indiqué. Pour que la spirale réalisée puisse être enlevée de la machine en un temps relativement court, il est avantageux de monter sur le mandrin un demi-manchon avec lequel coopère un second demi-manchon relié au système moteur animant le mandrin d'un mouvement de rotation. Pour assurer un accès facile de l'appareil de levage utilisé pour enlever la spirale fabriquée, il est avantageux de solidariser l'une des butées au mandrin, et l'autre butée à l'arbre du système moteur animant le mandrin d'un mouvement de rotation, ainsi que de prévoir sur cette butée un demi-manchon coopérant avec le demimanchon monté sur le mandrin. Afin que les vitesses angulaires du mandrin et du porte-galet soient toujours dans un rapport de 1 à 2, il est avantageux de réaliser le système moteur du mandrin et du porte-galet sous forme d'un réducteur à deux vis sans fin tournant à la même vitesse. L'une des vis a un nombre de filets par pas deux fois plus grand que celui de l'autre, et elle est engrenée avec une roue solidaire du portegalet ; l'autre vis sans fin est engrenée avec une roue solidaire du mandrin. Pour faciliter encore plus l'enlèvement de la spirale fabriquée se trouvant sur la machine, il est avantageux que l'une des butées, celle située au côté opposé du mandrin par rapport au porte-galet, soit reliée à l'actionneur imprimant au mandrin un mouvement de translation le long de son axe de rotation. ladite butée peut alors être écartée de l'autre butée. Plus bas, on donne la description détaillée, à titre d'exemple non limitatif, d'une machine suivant l'invention, destinée à enrouler un tube en spirale double, et du procédé mis en oeuvre au moyen de ladite machine, avec renvois aux dessins annexés qui représentent - la figure 1, la position relative des pièces principales de la machine - la figure 2, la chaîne cinématique de la machine (à plus petite échelle) - les figures 3 et 4, une spirale fabriquée par la machine - les figures 5 et 6, la position relative, représentée schématiquement des galets d'avance et de cintrage, ainsi que du mandrin, lors de l'amenée d'un tube à la machine - la figure 7, idem, pendant le pré-cintrage du tube les figures 8 et 9, idem, pendant l'enroulement du tube en double spirale - la figure 10, idem, lors de l'enlèvement de la spirale finie se trouvant sur la machine - la figure 11, une vue partielle d'une autre variante de réalisation de la machine. Sur une base fixe constituée par le bâti i (figures 1 et 2)dela machine sont montées deux paires de galets d'avance, respectivement 2 et 3, 4 et 5. Dans chacune de ces paires, l'un des galets, (les galets 2 et 4) est menant ; ils sont reliés à des roues dentées 6 et 7 respectivement, qui sont engrenées avec des roues dentées 8 entraînées en rotation par un moteur électrique 9 par l'intermédiaire d'un réducteur 10. Contre les galets menants 2 et 4 sont maintenus serrés des galets menés 3 et 5, qui sont montés sur un support mobile 11 dont est solidaire un axe 12 se déplaçant entre es pièces de guidage 13. le support 11 est liré à l'aide d'une articulation 14 à ltexAE- mité d'une bielle 15 dont l'autre extrémité est lirée par une articu- lation 16 à l'extrémité d'une seconde bielle 17 et à la tige d'un vérin pneumatique 18 articul#ur le bâti 1 ; l'autre extrémité de la bielle 17 est fixée au bâti 1 par une articulation 19. Quand la tige du vérin 18 se déplace, la bielle 15 tourne par rapport à la bielle 17 ; il en résulte un déplacement du support mobile 11 soit vers les galets menants 2 et 4, soit en recul par rapport à ces galets, avec un effort suffisant pour assurer l'amenée du tube 20 aux éléments suivants de la machine. En aval des galets d'avance 2 à 5, sur le bâti, est monté un galet cintreur 21, porté par un axe 22 engagé dans un palier 23. L'axe 22 est lié à la tige d'un vérin pneumatique 24 qui le déplace le long de l'axe de rotation du galet 21. L'axe de rotation du galet 21 est disposé perpendiculairement aux axes de rotation des galets d'avance 2 à 5, ce qui permet de diminuer le déplacement des galets d'avance 3, 5. Plus loin, en aval du galet cintreur 21 et parallèlement à lui, sont montées deux butées discoides 25 et 26, entre lesquelles est placé un mandrin 27 porté par un axe 28 qui tourillonne dans des roulements 29. les roulements 29 sont montés dans un fourreau coulissant 30, accouplé à la tige d'un vérin pneumatique 31. La butée discoïde 25 est solidaire du bâti 1, et l'autre butée discoide 26 est liée à la roue tangente 32 (figure 2) d'un réducteur à vis sans fin 33. Sur cette butée 26 est monté, à l'aide d'un axe, un second galet cintreur 34, la butée 26 jouant ainsi le rôle de porte-galet pour ce galet. La butée discorde 26 est soudée à un cylindre creux 35 à travers lequel passe un arbre 36 lié à la seconde roue tangente 37 du réducteur 33. les deux roues tangentes 32 et 37 ont le même nombre de dents et sont respectivement engrenées avec les vis sans fin38 et39. lesdites vis sans fin sont lirées à des roues dentées 40 et 41 respectivement, qui sont engrenées avec une roue dentée 42 entre née en rotation par le moteur électrique 43 à l'aide d'un réducteur 44. La vis sans fin 38 a un nombre de filets par pas deux fois plus grand que celui de la vis 39. Une telle réalisation des vis sans fin 38 et 39 et la présence de roues dentées 40, 41 et 42 permet d'assurer un rapport de 1 à 2 entre la vitesse nngulaire du mandrin 27 et celle de la butée 26 portant le galet 34. Sur l'arbre 36 est monté un demi-manchon à griffes 45 qui coopère avec le demi-manchon à griffes 46 monté sur le mandrin 27. Une telle conception de l'accouplement liant le mandrin 27 à l'arbre 36 permet de mettre le mandrin en rotation, ainsi que de tirer le mandrin hors de la spirale et de sortir cette spirale de la machine en un temps relativement court. les deux butées discoides 25, 26 et le mandrin 27 sont montés coaxialement, leur axe de rotation étant disposé horizontalement. Cela permet de former la spirale dans un plan vertical. L'arbre 36 est monté sur des roulements 47 et 48 qui sont. installés sur le carter du réducteur 33, et sur des roulements 49 et 50 placés dans le cylindre creux 35. les vis sans fin 38 et 39 sont montées sur des roulements 51 et 52. L'arbre de la roue dentée 53 est monté sur des roulements 57. Le cylindre creux 35 tourne sur le roulement 49 et dans le roulement 55. La machine permet de fabriquer une spirale double constituée par deux spirales planes 20a (figures 3, 4) et 20b disposées parallèlement et réalisées avec un tube 20 non rabouté. le travail de la machine commence par la présentation, faite par l'opérateur, d'un tube rectiligne se trouvant sur un transporteur à rouleaux ou sur un tablier (non représentés sur les dessins), dans l'écartement entre les galets d'avance 2, 4 et 3, 5 ; les galets de serrage 3 et 5 sont alors écartés des galets moteurs 2, 4. La tige du vérin pneumatique 18 se trouve en position avant extrême. lors de la diminution de l'angle entre les bielles 15 et 17, la bielle 15 tire à l'aide de l'articulation 14 le support mobile 11, qui écarte les galets 3 et 5 des galets 2 et 4. A ce moment, le système moteur des galets 2, 4 est arrêté. La tige du vérin pneumatique 24 vient occuper sa position avant extrême en déplaçant le galet 21 dans le plan du mouvement du galet 34 à l'aide de l'axe 22. La tige du vérin pneumatique 31 se trouve en position avant' extrême, dans laquelle le mandrin 27 est situé entre les butées discoïdes 25 et 26. le galet 34 se trouve un peu plus bas que le galet 21. le moteur électrique 43 est arrêté. Ensuite, l'opérateur admet l'air comprimé au vérin 18 et met en marche le moteur électrique 9. La tige du vérin 18 se déplace alors jusqu'à sa position arrière extrême, en entraînant avec elle l'articulation 16 ; il en résulte une augmentation de l'angle entre les bielles 15 et 17, qui déplacent le support mobile 11, portant les galets 3, 5, vers les galets 2, 4. Le tube 20 se trouve serré entre les galets d'avance 2 à 5. le moteur 9 en marche transmet le mouvement au réducteur 10 et aux roues dentées 6, 7, 8, qui font tourner les galets 2 et 4 ceux-ci déplacent le tube 20 le long de son axe. L'extrémité du tube 20 passe au-dessus du galet 21, au-dessous du mandrin 27 et au-dessus du galet 34 (figures 5, 6). Quand l'extrémité du tube passe au-dessus du galet 34, son autre extrémité quitte un interrupteur de fin de course (non représenté), monté sur le transporteur à rouleaux (non représenté) ; cet interrupteur met en marche le moteur électrique 43 qui, par l'intermédiaire des réducteurs 44 et 33, fait tourner la butée discoide 26 ensemble avec le galet 34 jusqu'à la position montrée en figure 7. le galet 34 rencontre le tube 20 avancé par les galets 2, 3, 4 5 et le cintre sur le mandrin 27. Etant donné que les galets 2 à 5 continuent d'avancer le tube 20 vers le mandrin 27, l'extrémité de ce tube s'enroule en une hélice dont le diamètre est supérieur au diamètre de la spirale double définitive. L'enroulement préliminaire d'une moitié du tube en hélice, ainsi que le formage de la spirale dans un plan vertical, permettent de diminuer l'aire de production sur laquelle s'effectue le formage de la spirale double. les spires de l'hélice se placent sur le cylindre creux 35, (figure 2). le tube est avancé jusqu'à ce que son extrémité se trouvant sur le transporteur à rouleaux (non représenté) en amont de la machine quitte un second interrupteur de fin de course (non représenté sur les dessins). Cela correspond à l'instant où le milieu du tube franchit l'axe longitudinal du mandrin. Quand le second interrupteur de fin de course fonctionne, le moteur électrique 9 s'arrête et les galets 2, 4 s'immobilisent ; la tige du vérin 18 vient occuper sa position arrière extrême et les galets 3 et 5 libèrent le tube 20. Simultanément, la tige du vérin pneumatique 24 se déplace vers sa position arrière extrême et, à l'aide de l'axe 22, écarte le galet 21 du plan dans lequel se déplace le galet 34 (figures8, 9). le galet 21 entraîne alors le tube, qui coopère avec la gorge du galet, et fait sortir l'extrémité rectiligne du tube de la zone dans laquelle se déplace le galet 34. Simultanément, lorsque le second interrupteur de fin de course mentionné fonctionne, le moteur électrique 43 se met en marche. Par l'intermédiaire du réducteur 44 et de l'arbre de la roue dentée 53 ce moteur met en rotation la roue dentée 42 qui transmet le mouvement aux roues dentées 40 et 41, aux vis sans fin 38 et 39 et aux roues tangentes 32 et 37. La roue tangente 37 transmet la rotation au mandrin 27 par l'intermédiaire de l'arbre 36 et des demi-manchons à griffes 45, 46. Lorsque le mandrin tourne, la portion rectiligne du tube s'enroule sur lui. Simultanément, la roue tangente 32 liée au cylindre creux 35 et au porte-galet 26, force le galet 34 à se déplacer autour du mandrin 27 dans le même sens que le mandrin, mais à une vitesse deux fois plus grande que celle du mandrin. le galet 34 enroule alors l'extrémité pré-cintrée du tube sur le mandrin 27. Etant donné que les plans de rotation des galets 21 et 34 sont décalés l'un par rapport à l'autre, la machine forme simultanément deux spirales plates en commençant du centre du tube, chacune de ces spirales étant formée,au cours du formage, entre la butée dis colde respective et la spirale plate. le formage simultané des deux spirales plates accroît la productivité du travail et permet de fabriquer la spirale double à partir d'un tube non rabouté de longueur relativement grande. Après enroulement du nombre de spires requis, le moteur 43 s'arrête ; il s'ensuit l'arrêt du mandrin 27 et du porte-galet 26. L'opérateur met le moteur 43 en marche en sens inverse afin de diminuer la tension de la spirale. Après l'arrêt du moteur 43, l'opérateur met en marche le vérin 31, dont la tige se déplace jusqu'à sa position arrière extrême, en entraînant avec elle le fourreau coulissant 30 et le mandrin 27 qui en est solidaire. le mandrin 27 sort alors de la spirale (figure 10) et libère la spirale finie (figures 3 et 4) pour pernettre son enlèvement de la machine. La seconde variante de la machine prévoit l'emploi d'un appareil de levage pour rendre commode l'enlèvement de la spirale se trouvant sur la machine. Dans cette variante, le mandrin 27a (figure 11) et la butée 25a sont solidaires et fixés sur l'axe 28, lequel est monté dans des roulements 29. les roulements 29, de même que dans la première variante, sont montés dans un fourreau coulissant 30 lié à la tige du vérin pneumatique 31. Un demi-manchon 46 est lié au mandrin. Le second demi-manchon 45 est lié à la butée discoide 56 transmettant la rotation au mandrin 27a et à la butée 25a à partir de la roue tangente 37. le cylindre creux 35 relie la seconde roue tangente 32 au porte-galet 57 sur lequel le galet 34 est monté à l'aide d'un axe. La butée 56 prévient le contact entre la spirale et le porte-galet. La machine fonctionne d'une façon analogue à celle de la machine précédente. Pour enlever la spirale de la machine, l'opérateur met en marche le vérin 31 dont la tige vient occuper sa position arrière extrême en entraînant avec elle le fourreau coulissant 30 et le mandrin 27a solidaire de la butée discoide 25a et lié au fourreau mobile 30 par l'axe 28. le mandrin sort alors de la spirale,et la butée 25a écartée permet d'approcher de la spirale finie l'appareil de levage, ce qui facilite notablement l'enlèvement de la spirale se trouvant sur la machine. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention. REVENDICATTONS 1. - Un procédé d'enroulement d'un tube en spirale double par cintrage de ce tube autour d'un msasb à l'aidede deux galets cintreurs décalés l'un par rapport à l'autre le long de l'axe longitudinal dudit mandrin, caractérisé en ce que l'on anime l'un des galets cintreurs (34) d'un mouvement de rotation autour du mandrin (27, 27a) et que, simultanément, on fait tourner ce mandrin (27, 27a) autour de son axe longitudinal dans le même sens que le galet (34), à une vitesse angulaire deux fois plus petite que la vitesse angulaire dudit galet (34), une première partie de ladite spirale double étant formée dans l'espace annulaire entre la trajectoire du galet (34) tournant et le mandrin (27, 27a), tandis que l'autre partie de cette spirale est formée parallèlement à ladite première partie grâce au contact du tube avec un galet (21) dont l'axe de rotation est fixe, lors de la rotation du mandrin (27, 27a) entraînant le tube (20) précité. 2. - Une machine pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1, du type comportant un mandrin (27, 27a) et deux galets cintreurs (21 et 34) disposés auprès de ce mandrin, caractériséeen ce que le mandrin est monté entre deux butées discoides (25, 26) coaxiales avec lui, l'un des galets cintreurs (le galet 21) étant monté sur une base fixe (1) et le second galet (34) étant monté sur un porte-galet (26 ou 57)fixé à un cylindre (35) coaxial avec le mandrin (27, 27a) ce dernier et le porte-galet (26, 57) étant reliés à un système moteur (33) qui leur fait exécuter des déplacements angulaires de telle façon que le déplacement angulaire du mandrin (27, 27a) soit deux fois plus petit que celui du portegalet (26, 77), ladite machine comportant aussi un dispositif d'avancement du tube vers le mandrin, comprenant au moins deux paires de galets d'avance (2 à 5), dans chacune desquelles un galet (2, 4) est menant, et l'autre (3, 5) mené, les galets menants (3, 5) étant liés à un actionneur (18) leur faisant exécuter un mouvement de translation soit pour les rapprocher des galets menants (2, 4), soit pour les éloigner de ces derniers, le galet cintreur (21), monté sur ladite base fixe (1), et le mandrin (27) étant respectivement liés à des actionneurs (24, 31) leur faisant exécuter un mouvement de translation le long de leur axe de rotation. 3. - Une machine suivant la revendication 2, caractérisée en ce que les axes de rotation des galets d'avance (2 à 5) sont perpendiculaires aux axes de rotation du mandrin (27, 27a) et des galets cintreurs (21, 34). 4. - Une machine suivant l'une des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que les axes de rotation du mandrin (27, 27a) et des galets cintreurs (21, 34) sont disposés horizontalement. 5. - Une machine suivant l'une des revendications 2 à 4, caraa térisée en ce que sur le mandrin (27, 27a) est monté un demimanchon (45) lié à un système moteur (33) qui entraîne ledit mandrin (27, 27a) en rotation. 6. - Une machine suivant l'une des revendications 2 et 5, caractérisée en ce que l'une des butées précitées Wa butée 25a) et le mandrin (27a) sont solidaires l'une de l'autre, et que la seconde butée (56) est liée à l'arbre (36) du système moteur (33), lequel entraîne le mandrin (27a) en rotation, et comporte un demimanchon (45) coopérant avec le demi-manchon (46) monté sur le mandrin (27a). 7. - Une machine suivant l'une des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que le système moteur (33) du mandrin (27, 27a) et du porte-galet (26, 57) est un réducteur à deux vis sans fin (38, 39) tournant à la même vitesse, l'une desdites vis sans fin (la vis 38) ayant un nombre de filets par pas deux fois plus grand que le nombre de filets par pas de l'autre vis sans fin (39) et étant engrenée avec une roue (32) liée au porte-galet (26, 57), tandis que l'autre vis sans fin (39) -est engrenée avec une roue (37) liée au mandrin (27, 27a). 8; - Une machine suivant l'une des revendications 2 à 7, caractérisée en ce que la butée (25a) située de l'autre côté du mandrin (27a) par rapport au porte-galet ( 7) est liée à un actionneur (31) qui déplace le mandrin (27a) en translation le long de son axe de rotation.