Brevet FR2680887A1 — publié le 19930305

td présente invention a pour objet un dispositif de régulation de vitesse destiné notamment aux malaxeurs. Elle a également pour objet un nouveau type de malaxeur à régulation de vitesse destiné plus particulièrement à la fabrication de sable de fonderie. Il existe à ce jour différents types de malaxeurs, comportant des outils de malaxage différents mais qui ont tous en commun que le ou les moteurs entraînant les outils de malaxage tournent à vitesse approximativement constante. Or le mélange que ces outils malaxent change souvent de caractéristiques physiques au cours de l'opération, sa viscosité notamment pouvant augmenter de façon notable. Pour pallier cette difficulté les moteurs mis en oeuvre dans les malaxeurs sont généralement des moteurs de forte puissance, aptes à poursuivre 11 entraînement des outils de malaxage lorsque la viscosité du mélange augmente. Cette solution n'est toutefois pas sans inconvénient, car la puissance des moteurs transformée en énergie mécanique transmise au mélange entraîne l'échauffement de ce dernier. D'autre part l'état du produit en cours de préparation évolue pendant le malaxage et il est donc souhaitable de lui appliquer des modes de travail qui tiennent compte de cette évolution. Ainsi, notamment dans le cas de la fabrication de sables de fonderie liés à de la bentonite, le sable à traiter renferme souvent une certaine proportion de mottes qu'il est nécessaire de broyer avant l'introduction des produits régénérants que constituent l'eau et l'argile, tandis que le malaxage ultérieur du sable doit être de préférence réalisé à une vitesse progressivement réduite de manière à diminuer l'énergie absorbée par les outils. Cet ensemble de considérations est à la base de la présente invention, qui a pour but de remédier aux inconvénients des malaxeurs connus en proposant un dispositif de régulation de vitesse qui permet de réaliser les opérations de malaxage avec le maximum d'efficacité en prenant notamment en compte la variation des propriétés physiques du mélange mis en oeuvre au cours de l'opération. ta présente invention a ainsi pour premier objet un dispositif de régulation de vitesse qui se caractérise essentiellement en ce qu'il comprend un calculateur électronique relié en entrée, d'une part à chacun des moteurs mis en oeuvre dans le malaxeur, et d'autre part à des capteurs de mesure disposés dans la cuve de malaxage, et relié par ailleurs en sortie à au moins un variateur de vitesse électronique, chaque variateur étant relié à un moteur dont il régule la vitesse. Le calculateur électronique mis en oeuvre dans le dispositif selon l'invention intègre à chaque instant dans ses données la puissance absorbée par chaque moteur et tend à la maintenir en-dessous d'un seuil prédéterminé de manière à éviter l'échauffement du mélange. Ainsi, lorsque la puissance absorbée par un moteur augmente jusqu'à atteindre le seuil de régulation prédéterminé, le calculateur électronique déclenche un processus de régulation, donnant l'ordre au variateur électronique de réduire la vitesse du moteur, jusqu'à ce que la puissance absorbée se stabilise. D'autre part le calculateur électronique reçoit à intervalles déterminés les signaux des capteurs de mesure, en fonction desquels il peut déclencher un réajustement des proportions de produits mis en oeuvre. Les capteurs reliés au calculateur électronique peuvent être de différents types, se complétant en vue d'assurer la meilleure régulation possible du processus de malaxage. Parmi les différents capteurs susceptibles d'être mis en oeuvre, on peut citer, sans que cette énumération soit limitative - les pesons à jauges de contrainte avec conditionneur électronique délivrant un signal analogique, pour le pesage d'au moins un des constituants du mélange, par exemple le sable - les sondes à thermocouple ou autre, avec conditionnement du signal sous forme analogique, pour la mesure de la température du mélange au cours du malaxage ; - les wattmètres délivrant un signal analogique proportionnel, pour la mesure de la puissance absorbée par le ou les moteurs mis en oeuvre. A ces capteurs on peut associer utilement, notamment dans le cas de la fabrication de sable de fonderie, un appareil de mesure de la compressibilité et de la résistance au cisaillement du sable, comportant d'une part un capteur de déplacement linéaire avec sortie analogique proportionnelle, et d'autre part un capteur de force à jauges de contrainte et conditionneur de signal analogique. Le calculateur électronique mis en oeuvre dans le dispositif selon l'invention peut être n' importe quel calculateur industriel apte à recevoir des différents capteurs des informations sous forme de signal analogique, par exemple 0-10 V ou 4-20 mA, à émettre vers les variateurs de vitesse un signal analogique correspondant, et à recevoir d'une part, par clavier, les consignes relatives aux différents paramètres, et d'autre part un programme de fonctionnement de l'ensemble. A cet effet il est possible de recourir soit à un automate programmable, soit à un micro-ordinateur recevant d'une part les consignes et d'autre part les signaux des capteurs de mesure. Dans le cas particulier de la fabrication de sable de fonderie, où les capteurs de mesure mis en oeuvre comprennent avantageusement un appareil de mesure de la compressibilité et de la résistance au cisaillement du sable, le calculateur électronique peut assurer une double fonction, d'une part la régulation de la vitesse de chaque moteur, et d'autre part la maîtrise des dosages de tous les produits qui entrent dans la composition du mélange, grâce aux mesures effectuées par ledit appareil. Les variateurs de vitesse mis en oeuvre dans le dispositif selon l'invention sont des appareils électroniques capables de faire fonctionner des moteurs électriques classiques dans des plages de vitesse étendues, allant par exemple de 150 à 3 000 t/mn pour une vitesse nominale de 1 400 t/mn, correspondant à une puissance de 10 à 150 kw. Il s'agit essentiellement de variateurs de fréquence mais ils doivent être suffisamment performants pour assurer la marche du moteur en toutes conditions en maintenant le couple et assurer toutes les protections électriques nécessaires au bon fonctionnement des moteurs. Ils reçoivent en entrée d'une part la puissance électrique du réseau et d'autre part les signaux de marche venant du calculateur ainsi que le signal analogique, 0-10 V par exemple, et doivent assurer en sortie un courant électrique apte à faire tourner le moteur à une vitesse proportionnelle à ce signal. Le dispositif de régulation de vitesse selon l'invention peut être avantageusement mis en oeuvre sur un nouveau type de malaxeur particulièrement adapté à la fabrication de -sable de fonderie, et qui constitue le second objet de la présente invention. Le malaxeur à régulation de vitesse selon 1'invention se caractérise essentiellement en ce qu'il comporte, placé dans une cuve fixe à axe vertical, au moins un outil de malaxage relié, par l'intermédiaire d'organes d'entraînement, à un premier moteur, un second moteur assurant l'entraînement en rotation d'un plateau constituant la partie supérieure du malaxeur, ledit plateau étant solidaire de la tige dudit outil, chacun desdits moteurs étant relié électriquement, d'une part à un calculateur électronique relié par ailleurs à des capteurs de mesure des propriétés physiques du mélange contenu dans la cuve, et d'autre part à un variateur électronique relié par ailleurs audit calculateur. Conformément à l'invention, le plateau mobile en rotation est un plateau d'acier supporté par une couronne à billes, le moteur qui l'entraîne étant associé à des dispositifs de réduction appropriés. Selon un mode de réalisation préférentiel du malaxeur selon l'invention, l'ensemble des pièces mobiles qui en font partie est situé à sa partie supérieure afin d'en faciliter l'accès et donc la maintenance. Selon un mode de réalisation également préférentiel, le malaxeur selon l'invention comporte deux outils disposés dans la cuve, un outil "rapide" pour la malaxage à grande vitesse et un outil "lent" pour le brassage en remontée du mélange, ces deux outils étant entraînés en rotation par un moteur et les dispositifs appropriés de réduction de vitesse et de renvoi de mouvement. Conformément à l'invention, chacun des moteurs d'entraînement, tant du plateau mobile que des outils, est relié au calculateur, qui intègre dans ses données la puissance absorbée par ledit moteur, tandis que les capteurs de mesure transmettent au même calculateur les données relatives aux caractéristiques physiques du mélange malaxé, comme la viscosité, la température, le degré d'humidité, la résistance mécanique, la densité, etc... A partir de ces mesures et des lois de comportement du mélange traité on peut établir les règles de corrélation qui seront à la base de la régulation de vitesse desdits outils, ce qui permet de mettre au point des cycles de fonctionnement. Les ordres de vitesse ainsi programmés et régulés sont transmis aux variateurs de vitesse électroniques qui alimentent directement les moteurs. La mise en oeuvre du malaxeur selon l'invention s'effectue ainsi en fonction des produits traités. A titre d'exemple, pour le sable de fonderie, il est avantageux de maintenir constante la puissance absorbée par le moteur des outils en faisant varier proportionnellement la vitesse de rotation du plateau mobile, tandis que la vitesse des outils est régulée de façon inversement proportionnelle à l'évolution de la résistance à la compression du sable et au carré de l'élévation de température. Les avantages et les caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit et qui se rapporte au dessin annexé, étant bien entendu que cette description ne présente aucun caractère limitatif vis à vis de l'invention. Dans le dessin annexé - la figure 1 représente une vue schématique d'un dispositif de régulation selon l'invention relié à un malaxeur comportant deux moteurs. - la figure 2 représente une vue de face schématique, avec coupe partielle, d'un malaxeur selon l'invention sans ses organes de régulation. - la figure 3 représente le diagramme de puissance et de vitesse du moteur entraînant les outils au cours de la fabrication de sable de fonderie dans un malaxeur selon l'invention. - la figure 4 représente le diagramme de puissance et de vitesse du moteur entraînant le plateau au cours de la fabrication de sable de fonderie dans le même malaxeur. Si on se réfère d'abord à la figure 1, on voit que le dispositif de régulation selon l'invention comprend un calculateur électronique 1 relié en sortie à deux variateurs de vitesse 21, 22 dont chacun est relié également en sortie à deux moteurs 51, 52 actionnant des éléments, outils etXou plateau, non représentés, d'une cuve de malaxage 4. Deux capteurs de mesure 31, 32 disposés dans la cuve 4 sont reliés au calculateur électronique 1, de même que deux wattmètres 53, 54 branchés sur les moteurs 51, 52, qui lui indiquent à tout moment la puissance absorbée par les moteurs 51, 52. Rien entendu il est possible d'inclure dans le calculateur 1 un programme spécifique préétabli en fonction des données de départ des constituants du mélange à réaliser. De même, pour chaque produit traité et pour chaque type de malaxeur, il est possible de déterminer les vitesses optimales pour chaque phase du malaxage et de mettre en place un asservissement approprié. Si on se réfère ensuite à la figure 2, on voit que le malaxeur selon l'invention comprend une cuve 4 dans laquelle sont disposés des outils, un outil rapide 41 et un outil lent 42, chacun relié, par l'intermédiaire de poulies 13 et 14 associées à un pignon denté 15, à un moteur 52. Outil rapide 41 a pour fonction d'assurer le malaxage à grande vitesse, tandis que l'outil lent 42 a pour fonction d'assurer le brassage en remontée du sable dans la cuve. Sur la cuve 4 est disposée une couronne à billes 42 supportant un plateau 43 mobile en rotation auquel sont solidarisés des manchons 45 et 46 dans lesquels passent les tiges 41' et 42' des outils 41 et 42. Le plateau mobile 43 est entraîné en rotation par un moteur 51, par l'intermédiaire d'un jeu de poulies 55 et 56 et d'un axe 47 solidaire à son extrémité inférieure du plateau 43. L'exemple qui suit décrit la mise en oeuvre optimale du malaxeur selon l'invention pour la préparation de sable de fonderie lié à de l'argile, étant entendu que cet exemple ne présente aucun caractère limitatif vis à vis de l'invention. EXEMPLE Pour préparer un sable de fonderie lié à la bentonite, on réalise dans le malaxeur selon l'invention les différentes phases successives ci-après, illustrées par les diagrammes des figures 3 et 4. --lère phase : broyage Le produit introduit dans le malaxeur au cours de l'opération de chargement a un aspect plutôt pulvérulent, il est relativement sec mais peu homogène avec souvent des mottes pouvant avoir jusqu'à 2 ou 3 cm de diamètre. On obtient la destruction de ces mottes en venant les percuter violemment dans la masse de sable avec les extrémités des deux outils tournant à très grande vitesse (environ 20 m/s de vitesse circonférentielle), le plateau mobile tournant alors à vitesse moyenne. Par ricochets successifs, les mottes peuvent se détruire l'une l'autre, elles sont également attaquées et détruites par les particules projetées dans la masse de sable autour de l'outil.Au cours de cette opération on introduit les produits secs de régénération, et on obtient une très bonne homogénéisation du mélange due au très fort brassage. - 2ème phase : malaxage La vitesse périphérique de l'outil rapide est ramenée à environ 10 m/s pour assurer un brassage énergique du sable et mélanger intimement l'argile et les grains de sable, tout en faisant rouler les grains les uns sur les autres, cette façon de procéder limitant l'échauffement et évitant une ségrégation grains de sable/argile. On introduit alors l'eau et au fur et à mesure que l'argile absorbe l'eau, la viscosité de la pâte argileuse augmente considérablement, l'argile gonfle et le volume du mélange augmente. Tous ces phénomènes augmentent la puissance absorbée par le moteur des outils jusqu'à arriver à la puissance de travail introduite comme consigne dans le calculateur. A partir de là, le programme introduit dans le calculateur entre en action et le calculateur envoie vers le variateur de vitesse électronique l'ordre de diminuer la vitesse du plateau mobile de 10 % par exemple. Dès que l'ordre est exécuté, la puissance absorbée par le moteur des outils diminue. Comme dans le même temps le mélange continue à prendre corps, à nouveau la puissance remonte vers le seuil de régulation et le calculateur redéclenche à nouveau tout le processus de régulation, qui a pour effet que la vitesse du plateau diminue tout au long de l'opération. Ainsi de suite jusqu'à ce que le calculateur ait détecté que la puissance absorbée tend à se stabiliser et que donc en fait le sable en cours de préparation n'évolue plus. Le calculateur déclenche alors un ordre de mesure de la compressibilité du sable qui est effectuée par l'appareil de test du sable associé au malaxeur. Cet appareil prélève un échantillon de sable dans le malaxeur et effectue la mesure de compressibilité. Le calculateur compare cette valeur avec la consigne et suivant le résultat de cette comparaison, donne l'autorisation de fin de cycle de malaxage ou donne l'ordre de rajouter un complément d'eau jusqu'à obtenir la valeur désirée. Pendant tout ce temps la vitesse des outils est régulée de façon inversement proportionnelle à l'élévation de température du sable, contrôlée par une sonde à thermocouple Vréelle = V nominale - (T mesurée - T initiale) x coefficient] - 3ème phase : aération Cette phase commence dès que les caractéristiques mesurées du sable-sont correctes. La vitesse des outils est ramenée à 5 m/s et par contre la vitesse du plateau est fortement augmentée pour aller jusqu'à 1,3 fois la vitesse nominale (la vitesse nominale étant elle-même déterminée pour chaque type de malaxeur, étant fonction de la capacité et du diamètre de la cuve). A ces vitesses, les grains de sable ne sont plus projetés violemment les uns contre les autres et le sable est desseré, de l'air est introduit à l'intérieur du mélange, ce qui lui donne un aspect soyeux et aéré. Le dispositif selon l'invention permet de réaliser des cycles complets de fonctionnement des malaxeurs, capables d'effectuer les trois opérations de broyage, malaxage et aération habituellement réalisées dans trois machines distinctes. REVENDICATIONS 1) Dispositif de régulation de vitesse destiné notamment aux malaxeurs, caractérisé en ce qu'il comprend un calculateur électronique (1) relié en entrée, d'une part à chacun des moteurs (51, 52) mis en oeuvre, et d'autre part à des capteurs de mesure (31, 32), et relié en sortie à au moins un variateur électronique (21, 22), chaque variateur électronique (21, 22) étant relié en sortie à l'un des moteurs (51, 52). 2) Dispositif de régulation de vitesse selon la revendication 1, caractêrisé en ce que le calculateur électronique (1) est un calculateur industriel apte à recevoir des capteurs (31, 32) des informations sous forme de signal analogique, à émettre vers les variateurs (21, 22) des signaux analogiques du même type, et à recevoir par clavier les consignes relatives aux différents paramètres. 3) Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les variateurs de vitesse électroniques (21, 22) sont des variateurs de fréquence capables de faire fonctionner des moteurs électriques asynchrones classiques dans des plages de vitesse allant de 150 à 3 000 t/mn. 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les capteurs de mesure (31, 32) sont choisis dans le groupe formé par les pesons à jauge de contrainte, les sondes de température à thermocouple et les viscosimètres. 5) Malaxeur destiné notamment à la fabrication de sable de fonderie, caractérisé en ce qu'il comporte, placé dans une cuve fixe (4) à axe vertical, au moins un outil de malaxage (41, 42) relié, par l'intermédiaire d'organes d'entraînement (13, 14, 15), à un premier moteur (51), un second moteur (52) assurant l'entraînement en rotation d'un plateau (43) constituant la partie supérieure de la cuve (4), ledit plateau (43) étant solidaire de la tige (41', 42') dudit outil (41, 42) et chacun desdits moteurs (51, 52) étant relié à un dispositif de régulation de vitesse selon les revendications 1 à 4. 6) Malaxeur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le plateau (43) est un plateau d'acier supporté par une couronne à billes (44). 7) Malaxeur selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte deux outils disposés dans la cuve, un outil "rapide" (41) pour assurer le malaxage à grande vitesse et un outil "lent" (42) pour assurer le brassage en remontée du sable dans la cuve.