Brevet FR3000423A1 — publié le 20140704

METHODE ET DISPOSITIF DE REGULATION D'UN DISPOSITIF D'EXTRUSION [001] L'invention concerne le domaine de l'extrusion des mélanges d'élastomères plus particulièrement destinés à la fabrication des pneumatiques. [2] De manière connue, la fabrication des profilés formant les pneumatiques fait largement appel à des dispositifs d'extrusion qui ont pour fonction de produire des bandes de caoutchouc selon un profil déterminé. Ces dispositifs sont formés d'un corps et d'une vis montée à rotation dans ledit corps. [3] La forme du corps et de la vis et leur agencement sont réalisés de sorte que la mise en rotation de la vis a pour effet de fournir un travail mécanique au mélange dans le but d'en accroître la fluidité, d'une part, et de propulser ledit mélange vers une filière d'extrusion dans le but de conférer un profil déterminé au produit extrudé, d'autre part. [4] La bande continue sortant du moyen d'extrusion peut être enroulée sur des moyens de stockage en vue d'une utilisation ultérieure. L'invention s'intéresse plus particulièrement aux dispositifs d'extrusion utilisés pour alimenter directement un dispositif en aval du dispositif d'extrusion. [005] Un des problèmes posés par l'utilisation d'un dispositif d'extrusion couplé plus ou moins directement avec un dispositif aval destiné à mettre en oeuvre la bande continue, tel que par exemple un moyen d'assemblage, réside dans le fait que le débit du moyen d'extrusion devient plus ou moins dépendant du débit du dispositif de mise en oeuvre. [006] Il en résulte des variations importantes de débit pouvant aller de l'arrêt total jusqu'à la sollicitation de l'installation d'extrusion à son débit nominal. Cette difficulté est augmentée de la contrainte de devoir générer également un produit de profil constant pendant les phases de montée ou de baisse de consommation. [007] Ce problème est généralement résolu en disposant des moyens intermédiaires de compensation entre la sortie du dispositif d'extrusion et un dispositif aval d'enroulement du produit extrudé. Toutefois, ces moyens de compensation ne conviennent pas lorsque l'on veut déposer directement le produit extrudé sur un dispositif aval d'enroulement. [8] Le document US-4428896 décrit une méthode permettant le contrôle de la forme et des dimensions d'un profilé obtenu à l'aide d'une extrudeuse, puis transporté par un convoyeur vers un dispositif aval. La méthode de contrôle est basée sur la mesure de la vitesse de rotation initiale de la vis interne de l'extrudeuse et de celle de rotation du rouleau, de la mesure de l'épaisseur du profilé extrudé en sortie de l'extrudeuse et en sortie du convoyeur, ainsi que de son poids linéaire. Les valeurs de la vitesse de rotation de la vis d'extrusion et de celle du rouleau sont ensuite ajustées chacune par leur unité de réglage respective en fonction des mesures réalisées sur le profilé extrudé, à distance de la sortie de l'extrudeuse. Une telle méthode de contrôle a pour conséquence d'introduire du retard dans la régulation et ne convient pas lorsque l'on veut appliquer le profilé directement sur un dispositif aval situé en sortie de l'extrudeuse. [9] Une solution à ce problème a été apportée par le document FR 11/55591 au nom de la demanderesse qui décrit une méthode et des moyens de régulation d'une extrudeuse du type nez à rouleau à pose directe du ruban obtenu sur un dispositif aval. Selon ce document, la vitesse de rotation de la vis est directement proportionnelle à la vitesse de rotation du rouleau et elle est obtenue en multipliant la vitesse du rouleau par un coefficient de proportionnalité dont la valeur de consigne est établie préalablement par voie expérimentale. Le contrôle des paramètres du ruban obtenu en sortie de l'extrudeuse se fait par des capteurs couplés aux moyens de régulation qui agissent sur le rapport de vitesses entre le rouleau et la vis de l'extrudeuse, en corrigeant la valeur de consigne du coefficient proportionnalité. Ceci permet de synchroniser, à tout instant, le débit de la vis d'extrusion à celui du rouleau, tout en obtenant un temps de réponse rapide des moyens de régulation. [10] La vitesse du rouleau de l'extrudeuse décrite dans ce document impose la vitesse de pose du ruban sur le dispositif aval. Ainsi, un problème se pose lorsque, dans certaines conditions de fonctionnement, le rendement de la vis baisse, ce qui implique la commande par les moyens de régulation d'une accélération de la rotation de la vis pour maintenir le débit constant. Toutefois, il a été constaté que, à partir d'une certaine valeur de la vitesse de la vis, le mélange à l'intérieur de l'extrudeuse subit une élévation de température. Ceci a pour conséquences l'apparition des gaz dans le mélange, provoquant des bulles dans le ruban sortant de l'extrudeuse, et, parfois, une dégradation jusqu'à la formation d'agglomérats vulcanisés dans le produit sortant de l'extrudeuse. [011] Une solution à ce problème est de mesurer la température du mélange à l'intérieur de l'extrudeuse ou du produit sortant de celle-ci, mais ceci implique du retard dans la régulation, et conduit à des pertes de temps et de matière. [012] Une autre solution est de limiter en permanence la vitesse du rouleau de pose en deçà d'une valeur de sécurité, mais aux dépens d'une baisse manifeste de la productivité de l'extrudeuse. [13] En effet, il a été établi, lors des tests effectués en laboratoire, que le rendement d'une vis d'extrusion augmente avec la différence de température entre les composants mécaniques de l'extrudeuse, qui sont à température élevée en étant chauffés, et la bande d'élastomère qui est, elle, introduite en continu dans l'extrudeuse à la température ambiante. [14] Toutefois, lors d'un arrêt transitoire de l'extrudeuse, les calories des composants de la machine sont transmises au mélange d'élastomère et la différence de température baisse. La conséquence est que le rendement de la vis baisse et, lors du redémarrage de l'extrudeuse, celle-ci reçoit une commande d'accélération de la vis pour compenser la baisse du rendement. Une telle situation provoque un échauffement supplémentaire du mélange et un emballement de la vis. [15] Il en est de même lors d'une alimentation insuffisante en mélange élastomère de l'extrudeuse (par exemple lors de la casse de la bande d'élastomère qui alimente l'extrudeuse) quand le débit chute, la commande de régulation impose également une accélération de la vis avec, comme conséquences, l'emballement de la vis et la dégradation du mélange élastomère. [16] L'invention a pour objet de proposer une méthode de régulation d'un dispositif d'extrusion permettant de fournir, à tout instant et avec une bonne productivité, une bande continue de produit extrudé de profil constant, de bonne qualité, sans dégradation du mélange élastomère. [17] Ces buts sont atteints avec une méthode de régulation d'un dispositif d'extrusion destiné à la fabrication d'une bande continue de produit profilé en un mélange d'élastomère, comprenant une vis animée en rotation dans un corps fixe dont la sortie comporte une filière d'extrusion et au moins un rouleau cylindrique animé en rotation dont l'axe est perpendiculaire à la direction de sortie du produit de la filière, la vitesse de rotation de la vis (c) ,,,$) étant directement reliée à la vitesse de rotation du rouleau (Q ,- rouleau) par un coefficient de proportionnalité, ladite méthode de régulation comportant les étapes suivantes : - on détermine pour un mélange élastomère donné et un produit profilé donné, une valeur de consigne Ks préétablie dudit coefficient de proportionnalité et les valeurs de consigne préétablies pour la vitesse du rouleau cl rouleau jusqu'à une consigne maximum de vitesse du rouleau cl rouleau maxi et on détermine la vitesse maximum de rotation de la vis cl ',s max=Ks*n rouleau maxi - on mesure à chaque instant l'épaisseur (e) du produit profilé en sortie de la filière d'extrusion, - on ajuste la valeur de consigne du coefficient Ks en fonction de la valeur de l'épaisseur (e) à une valeur corrigée Ks' de manière à ramener la valeur mesurée de l'épaisseur à une valeur de consigne (e consigne) de l'épaisseur du profilé (P), - on corrige la vitesse de rotation de la vis en tenant compte de la nouvelle valeur Ks', telle que cl' ,As=Ks'* - rouleau. Ladite méthode est caractérisée en ce qu'on ajuste la vitesse de consigne du rouleau en fonction de la valeur corrigée Ks' du coefficient de proportionnalité lorsque la vitesse de rotation de la vis cl' ',s dépasse une vitesse limite de patinage. [018] Cette méthode prévoit que la vitesse de rotation de la vis est directement proportionnelle à la vitesse de rotation du rouleau et qu'elle est obtenue en multipliant la vitesse du rouleau par un coefficient de proportionnalité dont la valeur de consigne est établie préalablement par voie expérimentale. La vitesse du rouleau est une valeur de consigne établie pour un mélange élastomère donné et un produit profilé prédéfini. Ceci permet de synchroniser, à tout instant, la vitesse de la vis à celle du rouleau dans un rapport donné par le coefficient de proportionnalité, et donc les débits de l'extrudeuse et celui du rouleau. [019] Pour améliorer la précision et la dynamique de réponse de la boucle de régulation, la méthode de régulation de l'invention intègre la mesure de l'épaisseur, ce qui implique d'ajuster le coefficient de proportionnalité à l'aide d'un facteur de correction, par exemple avec un coefficient de proportionnalité corrigé qui soit égal au produit de la correction par la valeur de consigne du coefficient de proportionnalité. La vitesse de la vis est donc calculée en prenant en compte le coefficient de proportionnalité corrigé. [020] Ainsi, après avoir constaté une diminution de l'épaisseur du profilé en sortie du dispositif d'extrusion, la correction imposée par la modification du coefficient de proportionnalité impose une augmentation de la vitesse de la vis par rapport à la vitesse du rouleau. [21] Selon l'invention, on adapte la vitesse du rouleau (qui est la vitesse de pose sur un dispositif aval) en fonction de la valeur corrigée du coefficient de proportionnalité Ks de manière à éviter que la valeur corrigée de la vitesse de la vis multipliée par le coefficient de proportionnalité corrigé dépasse la vitesse limite de patinage de la vis. Par vitesse limite de patinage, on comprend une vitesse qui a été déterminée par voie expérimentale pour un dispositif d'extrusion donné et un mélange élastomère prédéterminé à partir de laquelle la vis commence à s'emballer et tourne sans débiter de produit. A titre d'exemple la vitesse limite de patinage peut être déterminée en suivant l'évolution de la vitesse de la vis et en la comparant à tout instant à celle du rouleau, la valeur de la vitesse limite de patinage étant observée lorsque la vitesse de la vis devient supérieure à la vitesse maximum prédéterminée pour un mélange donné et que, au même moment, la vitesse du rouleau est inférieure à la vitesse maximum autorisée pour un mélange donné. [22] Ainsi, lorsque la vitesse de la vis atteint la vitesse limite de patinage, on réduit la vitesse de pose, ce qui fait que la vitesse de la vis va baisser en étant liée à la vitesse du rouleau par le coefficient de proportionnalité. Autrement dit, on freine le rouleau afin d'éviter le patinage et l'emballement de la vis. Si la vitesse corrigée de la vis est en dessous de la vitesse limite de patinage, le rouleau peut continuer à tourner à sa vitesse de consigne préétablie. [23] Ceci permet d'obtenir à tout moment une pose de produit profilé ayant une bonne épaisseur et des bonnes caractéristiques physico-chimiques du mélange élastomère et une productivité correcte du dispositif d'extrusion. [24] Avantageusement, on calcule la vitesse du rouleau 0 - rouleau loi de manière à ce que la vitesse de la vis ne dépasse pas la vitesse limite de patinage avec la formule : rouleau loi = (0 max nin-11 rouleau max 1/n-1)*1/Ks' nin-1, avec n une constante correspondant à un mélange élastomère donné. [25] On aurait pu, dans une variante de l'invention, définir de manière expérimentale les valeurs de la vitesse limite de patinage en fonction de la vitesse du rouleau et tracer ensuite une courbe illustrant la variation de la vitesse limite de patinage passant par plusieurs points ainsi définis. On préfère toutefois utiliser une méthode de calcul qui est plus facile à implémenter dans un dispositif de régulation à moyens de calcul numérique. [26] De préférence, on compare la vitesse calculée du rouleau 0 - rouleau loi à la vitesse de consigne prédéfinie pour une épaisseur de consigne donnée 0 - rouleau et en ce que l'on choisit comme valeur de référence de la vitesse du rouleau 0 - rouleau réf celle qui a la valeur moindre parmi les deux. [27] Par vitesse de référence du rouleau on comprend la vitesse imposée par les moyens de régulation au rouleau de pose. La vitesse de référence du rouleau est ainsi adaptée automatiquement par les moyens de régulation de l'invention en fonction de la variation du coefficient de proportionnalité de manière à éviter le patinage de la vis tout en permettant de garantir une bonne productivité du dispositif d'extrusion. [28] Avantageusement, l'on réduit la vitesse de rotation du rouleau lorsque la vitesse de rotation de la vis dépasse une vitesse limite de patinage. De ce fait, la vitesse de la vis baissera, car elle est directement liée par le coefficient de proportionnalité à la vitesse du rouleau, ce qui permet d'éviter le patinage de la vis. [29] Avantageusement, lorsque la vitesse de la vis ne dépasse pas la vitesse limite de patinage, la vitesse du rouleau augmente avec la diminution de la valeur corrigée Ks' du coefficient de proportionnalité. [30] Ceci permet, lorsque le régime de fonctionnement de la vis s'améliore, c'est-à-dire une fois le mélange chaud évacué, le débit par tour de vis augmente et le rendement s'améliore, de commander une correction plus faible du coefficient de proportionnalité Ks' et, de ce fait la vitesse du rouleau peut augmenter progressivement jusqu'aux valeurs d'un fonctionnement optimum préétabli pour un mélange élastomère et un dispositif d'extrusion donnés. [31] L'objectif de l'invention est également atteint avec un dispositif d'extrusion destiné à la fabrication d'une bande continue de produit profilé en un mélange d'élastomère, comportant des moyens de régulation aptes à mettre en oeuvre la méthode de l'invention, comprenant une vis animée en rotation dans un corps fixe dont la sortie comporte une filière d'extrusion et au moins un rouleau cylindrique animé en rotation dont l'axe est perpendiculaire à la direction de sortie du produit de la filière, comportant des moyens de pilotage de la vitesse de rotation de la vis (c) vis) en fonction de la vitesse du rouleau, la vitesse de la vis étant directement reliée à la vitesse de rotation du rouleau (Q ,- rouleau) par un coefficient de proportionnalité, et - des moyens de mise en mémoire des valeurs déterminées pour un mélange élastomère donné et un produit profilé donné, de la valeur de consigne Ks du coefficient de proportionnalité et des valeurs de consigne de la vitesse du rouleau cl rouleau jusqu'à une consigne maximum de vitesse du rouleau Q - rouleau max, pour laquelle la vitesse maximum de rotation de la vis est cl ',s max=1 Dans l'exemple représenté, la première courbe cl pi est tracée pour une constante n=2 et un coefficient a=7, la deuxième courbe cl p2 est tracée pour une constante n=4 et un coefficient a=19 et la troisième courbe cl p3 est tracée pour une constante n=5 et un coefficient a=23. La constante n dépend du type de mélange d'élastomère utilisé, elle est de préférence comprise entre 2 et 6. Ainsi, on constate que plus la valeur de la constante n est élevée, plus la limitation appliquée à la vitesse de pose est faible. [55] On sait par ailleurs que, selon les boucles de régulation du dispositif de l'invention : vis=Ks- rouleau (2) [56] En remplaçant dans l'équation (1), la vitesse de la vis avec l'équation (2), on obtient la vitesse calculée du rouleau : cl rouleau loi = () vis maxnin-li cl rouleau maxlin-l)*1/KS' [57] On peut ainsi calculer la vitesse du rouleau 0 - rouleau loi en fonction du coefficient de proportionnalité corrigé Ks'. Cette valeur calculée de la vitesse du rouleau est analysée par les moyens de contrôle 14 qui la comparent à la vitesse de consigne Q - rouleau déterminée pour une recette préétablie. Une telle recette est réalisée pour un mélange d'élastomère donné et une épaisseur de consigne donnée et est stockée dans la mémoire 13 de la troisième boucle de régulation 12 du dispositif. Les valeurs qui caractérisent une recette sont : la vitesse de consigne du rouleau, la vitesse maximum du rouleau, la vitesse maximum de la vis, la valeur de consigne Ks du coefficient de proportionnalité et la constante n. Si la valeur calculée de la vitesse du rouleau 0 - rouleau loi est inférieure à la valeur de la vitesse de consigne du rouleau définie dans la recette, alors la valeur de référence de la vitesse du rouleau choisie par les moyens de contrôle est la valeur calculée de la vitesse du rouleau O - rouleau loi. Dans le cas contraire, la valeur de référence de la vitesse du rouleau est celle définie dans la recette. [58] Cette méthode de régulation peut également être expliquée en référence à la figure 4 où on a superposé les droites représentant les coefficients de proportionnalité de la figure 2 et une courbe de la vitesse limite de patinage de la vis illustrée à la figure 3. La vitesse de référence du rouleau est le point d'intersection entre la courbe O pi et la droite de référence du coefficient Ks. Ainsi, lorsque la vitesse corrigée de la vis se trouve sur la droite Ksi, mais au-dessus de la courbe O pi, on choisit la vitesse du rouleau au point A. Pour une vitesse du rouleau correspondant au point A, le dispositif d'extrusion peut produire un profilé P ayant la bonne épaisseur, mais avec une vitesse de pose plus faible que celle de la recette. Lorsque le régime de fonctionnement de la vis s'améliore, c'est-à-dire une fois le mélange chaud évacué, le débit par tour de vis augmente et le rendement s'améliore, ce qui fait que la boucle de régulation commande une correction plus faible du coefficient de proportionnalité Ks' et la vitesse du rouleau peut augmenter jusqu'aux valeurs correspondant au point B, puis au point C jusqu'au point F qui correspond aux valeurs maximum des vitesses de la vis et du rouleau. [59] On obtient ainsi, avec la méthode de régulation et le dispositif de l'invention, un ajustement automatique de la vitesse du rouleau (ou de la vitesse de pose) pour une vitesse de la vis du dispositif d'extrusion qui évite le patinage et fournit un produit profilé ayant des bonnes dimensions et de bonnes propriétés physico- chimiques, pour une productivité optimale du dispositif. [60] D'autres variantes et modes de réalisation de l'invention peuvent être envisagés sans sortir du cadre de ses revendications. REVENDICATIONS1 Méthode de régulation d'un dispositif d'extrusion destiné à la fabrication d'une bande continue de produit profilé (P) en un mélange d'élastomère, comprenant une vis (2) animée en rotation dans un corps (1) fixe dont la sortie comporte une filière d'extrusion (5) et au moins un rouleau cylindrique (3) animé en rotation, la vitesse de rotation de la vis (c) ,As) étant directement reliée à la vitesse de rotation du rouleau (Q ,- rouleau) par un coefficient de proportionnalité, ladite méthode de régulation comportant les étapes suivantes : - on détermine pour un mélange d'élastomère donné et un produit profilé (P) donné, une valeur de consigne Ks du coefficient de proportionnalité et les valeurs de consigne de la vitesse du rouleau cl rouleau jusqu'à une consigne maximum de vitesse du rouleau Q - rouleau maxi pour laquelle la vitesse maximum de rotation de la vis est cl vis max=Ken rouleau max, - on mesure à chaque instant l'épaisseur (e) du produit profilé (P) en sortie de la filière d'extrusion (5), - on corrige la valeur de consigne du coefficient Ks en fonction de la valeur mesurée de l'épaisseur (e) à une valeur corrigée Ks' de manière à ramener ladite valeur mesurée à une valeur de consigne (e consigne) de l'épaisseur du profilé (P), - on corrige la vitesse de rotation de la vis en tenant compte de la nouvelle valeur corrigée Ks' du coefficient de proportionnalité, telle que cl' vis =Ks' rouleau caractérisée en ce qu'on ajuste la vitesse du rouleau en fonction de la valeur corrigée Ks' du coefficient de proportionnalité lorsque la vitesse de rotation de la vis cl' vis dépasse une vitesse limite de patinage. 2. Méthode de régulation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'on calcule la vitesse du rouleau Q - rouleau loi de manière à ce que la vitesse de la vis ne dépasse pas la vitesse limite de patinage avec la formule : cl rouleau loi = () vis max fin-i/ cl rouleau max 1in-1)*1/Ks' nin-1, avec n une constante correspondant à un mélange d'élastomère donné. 3. Méthode de régulation selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'on compare la vitesse calculée du rouleau 0 - rouleau loi à la vitesse de consigne prédéfinie pour une épaisseur de consigne donnée O - rouleau et en ce que l'on choisit comme valeur de référence de la vitesse du rouleau f2 rouleau réf celle qui a la valeur moindre parmi les deux. 4. Méthode de régulation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'on réduit la vitesse de rotation du rouleau lorsque la vitesse de rotation de la vis dépasse une vitesse limite de patinage. 5. Méthode de régulation selon la revendication 4, caractérisée en ce que, lorsque la vitesse de la vis ne dépasse pas la vitesse limite de patinage, la vitesse du rouleau augmente avec la diminution de la valeur corrigée Ks' du coefficient de proportionnalité. 6. Dispositif d'extrusion destiné à la fabrication d'une bande continue de produit profilé (P) en un mélange d'élastomère, comprenant une vis (2) animée en rotation dans un corps (1) fixe dont la sortie comporte une filière d'extrusion (5) et au moins un rouleau cylindrique (3) animé en rotation dont l'axe est perpendiculaire à la direction de sortie du produit de la filière, comportant des moyens de régulation aptes à mettre en oeuvre une méthode selon l'une des revendications 1 à 4, notamment des moyens de pilotage de la vitesse de rotation de la vis (c) ,,,$) en fonction de la vitesse du rouleau, la vitesse de la vis étant directement reliée à la vitesse de rotation du rouleau (0 ,- rouleau) par un coefficient de proportionnalité, et - des moyens de mise en mémoire (13) des valeurs déterminées pour un mélange élastomère donné et un produit profilé (P) donné, de la valeur de consigne Ks du coefficient de proportionnalité et des valeurs de consigne de la vitesse du rouleau f2 rouleau jusqu'à une consigne maximum de vitesse du rouleau O - rouleau maxi pour laquelle la vitesse maximum de rotation de la vis est O ',s max=1