Brevet FR2875756A1 — publié le 20060331

Benne pour matières granulaires Domaine de l'invention L'invention concerne une benne pour matières granulaires qui présente une résistance à l'abrasion améliorée. Etat de la technique Une benne pour matières granulaires comporte le plus souvent un fond, typiquement un fond plat ou galbé, et une pluralité de parois latérales destinées à confiner la matière granulaire à transporter; typiquement, une benne a une forme rectangulaire et comporte deux fois deux parois latérales, dont au moins une qui peut être ouverte pour décharger la matière granulaire par basculement de la benne (voir la figure 1). Un autre mode de construction est la forme dite en demi-lune comportant un fond galbe et des parois latérales, dont celle qui peut être ouverte pour décharger la matière granulaire peut avoir une forme galbée plus ou moins complexe. Il existe d'autres formes de benne, notamment celles qui permettent un déchargement par le fond. Ces bennes peuvent comporter en plus du fond et des parois des raidisseurs ou cadres extérieurs. Les parties des parois et du fond qui entrent en contact avec la matière granulaire sont habituellement lisses, pour que la matière granulaire glisse bien lors de son déchargement. Les bennes pour matières granulaires sont déchargées typiquement par déversement: la benne est inclinée, et la matière granulaire s'écoule par une ouverture. Cette ouverture peut être une trappe latérale. L'écoulement peut aussi se faire par une ouverture dans le fond de la benne. Dans tous les cas, lors de cet écoulement, la matière granulaire glisse sur le fond de la benne. Cela conduit à une usure par abrasion. Cette usure du fond de la benne est plus forte à proximité de l'ouverture par laquelle la benne est déchargée, car la pression y est plus forte. L'usure dépend du matériau utilisé pour le fond de la benne et de la matière granulaire. Elle dépend également de la vitesse d'inclinaison de la benne, ainsi que des caractéristiques rhéologiques de la matière granulaire. Ces caractéristiques rhéologiques peuvent dépendre par exemple du taux d'humidité : on sait que le sable sec s'écoule au fur et à mesure de la montée de la benne tandis que le sable humide, plus sensible au tassement, s'écoule en plusieurs blocs qui se détachent de la masse principale. Le terme matière granulaire englobe ici toute matière granulaire, quelle que soit son origine et sa nature, minérale ou organique, qui est habituellement transportée dans des bennes, telle que: le sable, le gravier, les cailloux, les pierres, la terre végétale, la terre de remblai, les graines, etc. Les conditions d'écoulement rencontrées sur les bennes en acier conduisent à une usure importante du fond des bennes. Plusieurs remèdes ont été proposés. On peut couvrir le fond de la benne avec une feuille ou bande de caoutchouc. On a également utilisé des tôles plus résistantes à l'abrasion, par exemple en Hardox 400 ou 450. On peut aussi optimiser la géométrie de la benne de manière à minimiser la pression qu'exerce la matière granulaire sur les surfaces de la benne; la benne de type tombereau est un exemple pour une telle géométrie. Ces produits sont assez coûteux. Par ailleurs, on souhaiterait disposer de bennes résistantes à l'abrasion qui puissent être réalisées en alliage d'aluminium, car à performance équivalente, elles sont plus légères que les bennes en acier. La présente invention a pour but de proposer une nouvelle benne pour matières granulaires résistant à l'abrasion, qui peut être construite en alliage d'aluminium. Objet de l'invention L'invention a pour objet une benne pour le transport, le stockage ou la manutention de matière granulaire comportant un fond et des parois latérales, caractérisée en ce qu'au moins une partie du fond comporte une tôle ayant été imprimée par laminage d'un ou plusieurs motifs en relief sur une face, ladite tôle étant disposée de manière à ce que lors du transport ou lors du déchargement de la matière granulaire, ledit motif se trouve en contact avec ladite matière granulaire. Description des figures La figure 1 montre une benne selon l'état de la technique réalisée en tôles et profilés en différents alliages d'aluminium. La figure 2 montre différents motifs de tôles relief utilisables dans le cadre de la présente invention: (a) Damier 5 (abrégé D5), (b) Damier 2 (abrégé D2), (c) Grain de riz, (d) Diamant. Description de l'invention La demanderesse s'est rendu compte lors des études préparatoires à la présente invention que l'amélioration de la résistance à l'usure du fond des bennes par l'intermédiaire du développement d'alliages ou matériaux plus résistants à l'abrasion était assez faible. La seule modification de la métallurgie et des propriété mécaniques ne débouchera donc guère sur une amélioration très significative de la résistance à l'abrasion, et risque de faire intervenir des alliages ou matériaux inhabituels en construction de véhicules industriels et / ou plus beaucoup plus coûteux que les matériaux habituellement utilisés. L'inventeur a alors eu l'idée qu'une meilleure maîtrise de l'écoulement de la matière granulaire lors du déchargement pourrait permettre des gains plus significatifs: au lieu d'augmenter la résistance à l'usure du fond de la benne, on modifie les conditions d'écoulement de manière à diminuer l'usure que subit un matériau donné par rapport à une benne selon l'état de la technique. La solution qu'il a trouvée va à l'encontre des tendances en matière de construction des bennes: au lieu de diminuer le frottement entre le fond de la benne et la matière granulaire (en choisissant un fond lisse sur laquelle le sable glisse bien ), on augmente ce frottement en choisissant un fond qui n'est pas lisse et qui retient le sable lors de son déversement. La présente invention est basée sur le constat que durant la montée d'une benne, la majeure partie de la matière granulaire s'écoule non pas directement par glissement sur le fond de la benne, mais sur une couche de matière granulaire fixe dans le fond de la benne. Par conséquent, l'usure du fond de la benne est provoquée par le glissement de la dernière couche, c'est-à-dire de la couche de matière granulaire qui est effectivement en contact avec le fond de la benne. L'usure du fond de la benne peut donc être réduite par tout moyen qui assure que lors du glissement de cette dernière couche, la force qui agit sur la surface du fond de la benne est aussi faible que possible. Selon l'invention, un tel moyen est l'utilisation d'une tôle relief sur le fond de la benne. Selon la norme EN 12258-1, l'homme du métier entend par tôle relief une tôle ayant été imprimée d'un motif en relief sur une face, par laminage . Ce motif est le plus souvent un motif répétitif qui s'étend sur toute la longueur et toute la largeur de la tôle. Des tôles relief sont connues en tant que telles et ont fait l'objet d'une norme européenne EN 1386. Selon l'invention, cette tôle relief est disposée au fond de la benne, de manière à ce que le relief soit en contact avec la matière granulaire lorsque la benne est chargée. La tôle relief peut être disposée sur toute la surface du fond de la benne, ou seulement sur la partie qui se situe proche de la trappe par laquelle la matière granulaire est déchargée. Dans le cadre de la présente invention, le terme fond doit être compris comme signifiant la partie de la benne sur laquelle la matière granulaire exerce une force dirigée vers le bas (lorsque la benne est en position horizontale (position de transport), alors que le terme paroi doit être compris comme signifiant la partie de la benne sur laquelle la matière granulaire exerce une force plutôt horizontale. Le fond et les parois peuvent être des parties distinctes (assemblées par exemple par soudage ou boulonnage), ou représenter une seule forme galbée (assemblée ou non). Ce qui importe est qu'au moins une partie du fond de la benne, à savoir la partie sur laquelle glisse la matière granulaire lors de son déchargement, est recouverte d'une tôle relief. Selon l'invention, le relief doit être choisi tel qu'il retient la dernière couche de matière granulaire lorsque la benne est basculée pour être déchargée. A titre d'exemple, un relief comportant une pluralité des traits allongés, sensiblement linéaires ou non, convient bien. Avantageusement, une partie desdits traits allongés sont orientés à environ 90 par rapport à l'autre partie desdits traits allongés. De tels motifs sont connus sous les désignations normalisées Damier 2 , Damier 5 , Losange , Grain d'orge , Amande , ainsi que sous d'autres désignations telles que Grain de riz , Diamants , Pomme de pin , Damier 3 (dérivé du Damier 2 avec trois traits parallèles au lieu de 2), Damier 4 (dérivé du Damier 5 avec 4 traits parallèles au lieu de cinq). Toutes ces désignations décrivent de manière succincte et figurée la forme du motif. Les tôles de type damier sont appelées aussi D2, D3, D4, D5, selon le nombre de traits parallèles qui constituent le motif. A titre d'exemple, un motif qui convient à la réalisation de la présente invention est celui décrit dans le brevet français FR 2 747 948 (Pechiney Rhenalu). On préfère disposer la tôle de manière à ce que les traits soient orientés à environ 45 par rapport à la direction d'écoulement de la matière granulaire lors de son déchargement (appelé ici direction d'écoulement ). On peut également utiliser des tôles relief dont le motif est constitué de plots de forme (vu du haut) plus ou moins circulaire. La figure 2 montre quatre motifs préférés dans le cadre de la présente invention. La longueur des traits peut être comprise entre environ 0,5 cm et environ 15 cm. Un des avantages de la présente invention est que la solution, à savoir l'utilisation de tôles relief au fond de la benne, est basée sur l'utilisation de produits standards disponibles dans le commerce, réalisés dans des alliages très similaires à ceux utilisés en construction de véhicules industriels, et dont la mise en oeuvre (telle que la découpe, le pliage, le soudage) ne pose pas de problème particulier ou inhabituel. Cette solution n'engendre donc pas de surcoût significatif. Ces alliages utilisés pour les tôles relief peuvent être de l'acier ou, de manière préférée, un alliage d'aluminium, tel qu'un alliage de la série 5xxx. Les alliages de type Al-Zn-Mg sans cuivre de la série 7xxx, tels que le 7020, et les alliages de la série 6xxx, tels que le 6061, conviennent également. La benne selon l'invention peut être réalisée de manière à ce que ladite tôle relief couvre la totalité de surface du fond de la benne, ou seulement une partie dudit fond sur laquelle glisse la matière granulaire lors de son déchargement, est recouverte d'une tôle relief. Cette partie peut être située proche de l'ouverture à travers laquelle la matière granulaire glisse lors du déchargement de la benne. L'abrasion du fond de la benne est diminuée encore plus si la taille moyenne de grains de la matière granulaire transportée ou stockée ne dépasse pas la hauteur du motif. Par ailleurs, l'avantage de l'invention est plus net avec le sable humide qu'avec le sable sec, comme montré dans l'exemple 2. Dans les exemples qui suivent, on décrit à titre d'illustration des modes de réalisation avantageux de l'invention. Ces exemples n'ont pas de caractère limitatif. Exemples Exemple 1, : Dans cet essai, on a exploré le déversement de sable sur une benne réalisée à l'échelle 1/20. La benne consiste en une boîte rectangulaire en plexiglass. Elle est montée sur un banc d'essais permettant, à l'aide d'un vérin hydraulique motorisé, de basculer la benne. En tant que fond, on choisit la tôle dont on veut étudier l'influence sur les conditions d'écoulement du sable. Cette tôle de fond a une longueur de 60 cm et une largeur de 25 cm. Comme dans une benne réelle, la paroi latérale par laquelle le sable s'écoule peut s'ouvrir par basculement sous la pression du sable. La masse de sable totale est comprise entre 25 et 30 kg. L'essai est effectué de la manière suivante: on charge le sable, on bascule progressivement la benne avec une vitesse constante, pendant qu'on enregistre la séquence du déversement du sable avec une caméra vidéo de manière à pourvoir relever à chaque moment l'angle de la benne (a) et l'épaisseur de la couche de sable, à l'aide de règles graduées placées sur les parois). On relève notamment l'angle de début d'écoulement et l'épaisseur de la couche de sable à ce moment, ainsi que l'angle (appelé angle de glissement) et l'épaisseur de la couche de sable au moment où la couche de sable en contact direct avec le fond de la benne commence à glisser. Deux types de sables ont été utilisés, du sable fin avec un diamètre moyen de l'ordre de 0,5 mm, et du sables gros ave un diamètre moyen de l'ordre de 1,7 mm. Par ailleurs, un gravier avec une taille de grain de 5 à 20 mm a été testé. Les essais ont été effectués avec cinq tôles différentes en alliage d'aluminium. Une plaque lisse a servie d'étalonnage pour les résultats. Quatre motifs différents ont été testés, le Grain de Riz, le Damier 2 (D2) , le Damier 5 (D5) et le Diamant, avec deux orientations différentes (45 et 90 ) par rapport au flux de sable. Ces motifs se distinguent par leur forme et leur géométrie. Les motifs du D5 couvrent moins de surface sur la plaque que ceux du Grain de Riz, mais sont plus hauts (2 mm pour le D5, 0,5 mm pour le Grain de Riz). Le tableau 1 montre la valeur de l'angle de glissement (angle de décrochement) de la dernière couche (à 21 cm du bord de la benne). Tableau 1 Angle de glissement de la dernière couche, à 21 cm du bord de la benne Type de fond Tôle D2 Diamant Tôle D5 Tôle Grain de Angle lisse riz de talus Orientation des 450 450 450 900 450 900 aspérités Moyenne 25,3 32, 75 30,89 31,75 31,25 31,75 30,5 39 obtenue avec le sable gros (sec) Ecarttype 0,45 0,29 0,29 0,29 0,50 0,50 0,41 Moyenne 28,00 36,83 35,50 36, 83 36,33 36,38 35,00 40 obtenue avec le sable fin (sec) Ecart-type 0,87 0, 29 0,50 0,29 0,29 0,48 0,50 Moyenne 23,75 32,63 32,33 33,00 - 32,25 - obtenue avec le gravier Ecart-type 0,50 0,63 0,29 0,50 - 0,29 - - On note l'excellente reproductibilité (écart-type inférieur à 2%) de ces essais: deux essais reproduits dans les mêmes conditions donnent le même résultat à l'intérieur d'un intervalle de 0,5 environ. On observe que les graviers glissent sur les tôles lisses, mais roulent sur les tôles relief. On effectué les mêmes essais avec une vitesse de montée deux fois supérieure ou inférieure, et cela n'influe pas sur le résultat. L'angle de talus est l'angle qui se forme par écoulement du sable lors de l'ouverture de la trappe latérale avant le commencement du basculement de la benne, c'est-à-dire à l'horizontale. Cet angle dépend du type de sable, et notamment de la taille de grains et du taux d'humidité. Le tableau 2 montre l'épaisseur du sable restant lors du glissement de la dernière couche. On constate que l'utilisation d'une tôle relief comme fond de la benne conduit à une réduction de cette couche (entre 55% et 75% de diminution pour le sable gros, et entre 65% et 85% pour le sable fin). Tableau 2 Epaisseur de sable restant lors du glissement de la dernière couche, à 21 cm du bord de la benne (en cm) Type de fond Tôle lisse Tôle D5 Tôle Grain de riz Orientation des aspérités 45 90 45 90 Moyenne obtenue avec 2, 04 0,50 0,67 0,75 0,92 le sable gros (sec) Ecart-type 0,39 0,00 0,14 0, 00 0,14 Moyenne obtenue avec 1,75 0,50 0,50 0,25 0,58 le sable fin (sec) Ecart-type 0,43 0,00 0,00 0,00 0,14 L'épaisseur h de sable restant lors du glissement de la dernière couche et l'angle a de glissement de la dernière couche permettent de calculer l'effort normal F sur le fond de la benne, suivant la formule F = p g h cos a, où g a la valeur de 9,81 m s-2 et p est la densité du sable (2650 kg m-'). Le tableau 3 montre le résultat de ces calculs. Tableau 3 Force normale lors du début de glissement de la dernière couche [Nm 2] et réduction de cette force par rapport à une tôle lisse [%] Type de fond Tôle Tôle D5 Tôle Grain de Riz lisse Orientation des motifs 45 900 45 90 (aspérités) Force normale, 50 Nm 2 11,5 Nm 2 15,5 Nm 2 17,5 Nm 2 21,5 Nm 2 Moyenne obtenue avec le sable gros (sec) Réduction par rapport - 77% 69% 65% 57% à une tôle lisse Force normale, 50 Nm2 13 Nm2 13 Nm 2 6,5 Nm 2 15,5 Nm 2 Moyenne obtenue avec le sable fin (sec) Réduction par rapport 74% 74% 87% 69% à une tôle lisse L'effort normal F,, lors du frottement régissant les paramètres de l'usure du fond de benne, on peut supposer que pour le sable sec, la durée de vie du fond de la benne est supérieure si l'on utilise un fond de benne en tôle relief. L'orientation des motifs par rapport à la direction de l'écoulement permet de diminuer encore un peu plus les efforts normaux et donc l'usure. Ainsi, on préfère pour les tôles D5 et Grain de Riz une orientation à 45 à une orientation à 90 . La comparaison entre les résultats obtenus avec la tôle D5 et la tôle Grain de Riz fait apparaître une corrélation forte entre les conditions d'écoulement et le rapport entre le diamètre moyen de grains de la matière granulaire et la hauteur du motif. Si le diamètre moyen des grains est similaire ou plus grand que la hauteur des motifs, les efforts normaux sur le fond sont plus importants que dans le cas où les grains sont plus petits que la hauteur du motif. Le tableau 4 montre des résultats complémentaires obtenus avec une tôle D5 dans les mêmes conditions que celles qui ont donné lieu aux résultats du tableau 1, sauf que pour l'une des tôles, le motif a été rectifié pour diminuer sa hauteur de 2 à 0,5 mm. On constate que pour le sable gros, l'angle de glissement ne dépend pas de la hauteur du motif, tant que cette hauteur ne dépasse pas de manière significative la taille moyenne de grains alors que lorsque la taille moyenne de grain du sable est inférieure à la hauteur du motif, l'angle de glissement augmente avec la hauteur du motif. Tableau 4 Angle de glissement de la dernière couche, à 21 cm du bord de la benne Type de fond Tôle D5 Tôle D5 Orientation des aspérités 90 900 Hauteur des motifs 2 mm 0,5 mm Moyenne obtenue avec le 31,25 31 sable gros (sec) Ecart-type 0,50 0,41 Moyenne obtenue avec le 36,33 34,9 sable fin (sec) Ecart-type 0,29 0,42 Exemple 2: Dans cet exemple, on a répété l'essai de l'exemple 1 avec du sable humide tassé. Le tassement n'a que très peu d'effet sur le sable sec. En revanche, il s'est avéré que le tassement était un paramètre primordial pour les essais avec du sable humide. Les efforts de cohésion entre les grains dus à la capillarité sont très importants et entraînent une grande dispersion dans les résultats. Ces résultats sont résumés dans le tableau 5. Bien que dispersés, ces résultats sont très nets. Par ailleurs, on observe que dans une benne avec un fond lisse, le sable se détache du talus par plusieurs plaques, alors que dans une benne avec fond en tôle relief, ce détachement par tranches se fait en laissant une couche fixe dans le fond de la benne. Cette couche fixe ne se détache qu'en toute fin de déversement et diminue considérablement l'abrasion du fond de la benne. Plus le sable humide est tassé, plus l'angle de glissement de la dernière couche est élevé. L'effet de la tôle relief sur le fond de la benne est encore plus important pour le sable humide que pour le sable sec: le décrochement par plaques limite encore plus les effets normaux qu'un écoulement continu observé avec le sable sec. De plus, l'utilisation de sable humide est plus proche des conditions réelles d'utilisation d'une benne dans les cimenteries et carrières. Tableau 5 Angle de glissement de la dernière couche, à 21 cm du bord de la benne Type de fond Tôle lisse Tôle D5 Tôle Grain de riz Orientation des 45 90 45 90 aspérités Moyenne obtenue 32 50,5 59,8 52,8 53,6 avec le sable gros (humide) Ecart-type 6,25 10,7 19,7 11,1 14,7 Moyenne obtenue 37 52,3 60,5 53,1 56,7 avec le sable fin (humide) Ecart-type 6, 8 10,9 18,8 10,7 12 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. REVENDICATIONS Benne pour le transport, le stockage ou la manutention de matière granulaire comportant un fond et des parois latérales, caractérisée en ce qu'au moins une partie du fond comporte une tôle ayant été imprimée par laminage d'un ou plusieurs motifs en relief sur une face, ladite tôle étant disposée de manière à ce que lors du transport ou lors du déchargement de la matière granulaire, ledit motif se trouve en contact avec ladite matière granulaire. Benne selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit motif est un motif répétitif. Benne selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit motif comporte des traits allongés. Benne selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'une partie desdits traits allongés sont orientés à environ 90 par rapport à l'autre partie desdits traits allongés. Benne selon une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que ledit motif est sélectionné dans le groupe constitué des motifs Damier 2, Damier 5, Grain d'Orge, Diamant, Amande. Benne selon une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que ledit motif est sélectionné dans le groupe constitué des motifs Damier 3, Damier 4, Grain de Riz. Benne selon une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que ledit motif est sélectionné dans le groupe constitué des motifs montrés sur la figure 2. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. Benne selon une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisée en ce que la longueur de chacun desdits motifs est comprise entre 0,5 cm et 15 cm. Benne selon une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisée en ce que lesdits traits sont orientés à environ 45 par rapport à la direction d'écoulement de la matière granulaire lors du déchargement de la benne par basculement de la benne et glissement de la matière granulaire à travers une ouverture prévue dans le fond ou dans une des parois latérales. Benne selon une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que ladite tôle relief est en acier ou en alliage d'aluminium. Benne selon la revendication 10, caractérisée en ce que ladite tôle est en alliage d'aluminium de la série 5xxx. Benne selon la revendication 10, caractérisée en ce que ladite tôle est en alliage Al-Zn-Mg sans cuivre de la série 7xxx, et préférentiellement en alliage 7020. Benne selon la revendication 10, caractérisée en ce que ladite tôle est en alliage de la série 6xxx, et préférentiellement en alliage 6061. Benne selon une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que ladite tôle couvre la totalité de la surface du fond de la benne, ou seulement une partie de la surface dudit fond sur laquelle glisse la matière granulaire lors de son déchargement, est recouverte d'une tôle relief. Benne selon la revendication 14, caractérisée en ce que la partie de la surface dudit fond qui est recouverte d'une tôle relief est la partie située proche de l'ouverture à travers laquelle la matière granulaire glisse lors du déchargement de la benne par basculement. 16. Utilisation d'une benne selon une quelconque des revendications 1 à 15 pour le transport de matière granulaire, caractérisée en ce que la taille moyenne de grains de ladite matière granulaire ne dépasse pas la hauteur dudit motif.