Contrôle de la tension des enrouleurs de tuyaux : quatre méthodes expliquées

1. Commencez par la vitesse, le couple et le rayon

Le transport règle la vitesse du tuyau entrant, tandis que le dévidoir tourne à une vitesse qui change à mesure que les couches s'accumulent. Leur relation géométrique est v = ωR : la vitesse de ligne v est égale à la vitesse angulaire ω multipliée par le rayon d'enroulement R. Doubler le rayon divise donc par deux la vitesse de rotation requise à la même vitesse de ligne.

Le couple d'enroulement utile est d'environ M = TR, où T est la tension du tuyau. Cette relation stable exclut l’accélération et les pertes mécaniques. En pratique, l'entraînement doit également vaincre les frottements et accélérer l'ensemble tournant ; lors de la décélération, il doit retirer de l'énergie de cet ensemble.

Considérons un 30 N·m idéalisé avec un couple de bobine utile à des rayons de 0.15 m et 0.60 m. La tension passe de 200 N à 50 N. À une vitesse de ligne de 20 m/min, les vitesses de bobine correspondantes sont approximativement 21.2 et 5.3 rpm. Ces chiffres illustrent les relations ; ce ne sont pas des réglages de tension pour un tuyau particulier.

Cela explique une distinction importante : maintenir un couple constant ne maintient pas une tension constante. Pour maintenir la même tension constante à mesure que la bobine grandit, le couple utile doit augmenter avec le rayon. Le couple indiqué sur la plaque signalétique du moteur n'est pas automatiquement le couple disponible au niveau du moulinet, car le rapport de boîte de vitesses et l'efficacité comptent également.

2. Pourquoi le tuyau change le choix de contrôle

Les tuyaux ondulés à simple paroi peuvent changer de forme avant de se briser. Une traction excessive peut ouvrir le pas d'ondulation, modifier le profil ou laisser une section déformée après le déroulement. L'inspection doit donc inclure les ondulations et les dimensions finies, plutôt que de se fier uniquement à la survie du tuyau à l'enroulement.

Un tuyau HDPE à paroi solide plus rigide réagit différemment. Une courte portée libre peut bouger très peu et un petit danseur de contact peut imposer trop de force locale ou un virage trop serré. Des portées plus longues, des rayons de guidage plus grands et un agencement de détection approprié peuvent améliorer la conception. Le diamètre du tuyau à lui seul ne permet pas de déterminer si un danseur fonctionnera.

Pour une poutre droite simple, simplement appuyée, la déflexion s'échelonne avec F L³ / (48 E I). Cela permet d'expliquer pourquoi la longueur de la travée, le module et la rigidité de la section affectent le mouvement. Une boucle de tuyau courbée avec supports, courbure résiduelle et température changeante ne se comporte pas exactement comme ce modèle. Effectuez un essai avec le tuyau réel pour établir la course utilisable et la force de contact.

Les entrées pertinentes sont le matériau, OD, l'épaisseur de paroi ou SDR, le profil, la température au bobinage et le diamètre de courbure autorisé. Un calcul générique de résistance à la traction ne peut pas à lui seul établir une tension d'enroulement admissible pour les tuyaux ondulés ou à paroi pleine.

3. Première méthode : enroulement du moteur couple

Un enrouleur traditionnel à moteur couple utilise les caractéristiques de fonctionnement du moteur et un réglage de couple réglable pour tirer le tuyau sur la bobine. Selon sa conception, le moteur peut fonctionner sur une large plage de vitesses faibles tandis que le tuyau limite la vitesse réelle du rabatteur. Confirmez les conditions autorisées de service, de refroidissement et de calage à partir des données spécifiques du moteur.

Dans la configuration de base, il n'y a pas de retour de tension de conduite mesuré. Si le couple utile du moulinet reste approximativement constant, le plus petit rayon d'enroulement produit la tension constante la plus élevée. Pour un changement de rayon de quatre à un, la tension de départ est quatre fois la tension finale au même couple. Ce rapport compare les deux rayons ; il ne s'agit pas de quatre fois chaque paramètre sélectionné par l'opérateur.

L'attrait est une machine simple avec relativement peu de matériel de contrôle. Il peut convenir aux applications validées de tuyaux à paroi solide où une modification de la tension à travers la bobine est acceptable. Le problème avec un profil ondulé délicat est que l'augmentation du couple pour serrer les couches externes augmente également la traction sur la première couche de la bobine suivante.

Réglez et vérifiez d'abord la condition de démarrage, puis inspectez l'ensemble de la bobine complète. Lorsque l'application nécessite un contrôle plus précis, une compensation du diamètre et un entraînement approprié peuvent faire varier la commande de couple à mesure que la bobine se construit. L'ajout d'un retour d'information ou d'un freinage modifie la capacité de l'ensemble de la machine ; le type de moteur à lui seul ne détermine pas si le moulinet peut s'arrêter efficacement.

• Vérifiez le couple utile du moulinet après l'engrenage, pas seulement la plaque signalétique du moteur.
• Inspectez les premières couches pour l’étirement et les couches extérieures pour le relâchement.
• Confirmez séparément la réponse à la coupure, la distance d'arrêt et le comportement de redémarrage.

4. Deuxième méthode : commande photoélectrique de démarrage et d'arrêt

Deux niveaux de commutation surveillent une boucle de tuyau libre entre le transport et l'enrouleur. Lorsque la boucle devient trop courte, l'enroulement s'arrête ou ralentit. Au fur et à mesure que le tuyau entrant reconstitue la boucle, il atteint l’autre niveau et l’enroulement reprend. L'état exact du capteur dépend de l'emplacement et du câblage du faisceau ; le résultat requis est une réserve stable de tuyau.

Le système de base utilise une commande de marche du variateur plutôt qu'une position de boucle mesurée en continu. Il peut fournir un contrôle économique pour un tuyau suffisamment flexible et une cadence de production modeste. La boucle libre amortit la différence de vitesse, mais son poids, sa géométrie et sa rigidité influencent toujours la tension.

Des accélérations et décélérations répétées peuvent perturber une bobine lourde. Une traversée qui continue de se déplacer pendant que la bobine fait une pause peut également placer les tours suivants de manière incorrecte. Les commandes de bobine et de traversée doivent donc être coordonnées, avec des paramètres d'accélération adaptés au tampon disponible.

Pour un cycle idéal à deux états, soit ΔL la longueur de tuyau stockée utilisable entre les niveaux de commutation, v la vitesse entrante et k le rapport entre la vitesse d'enroulement en cours et la vitesse entrante. En ignorant les rampes, l'intervalle d'arrêt est ΔL/v et l'intervalle de fonctionnement est ΔL/((k − 1)v). Avec ΔL = 0.30 m, v = 10 m/min et k = 1.2, un cycle prend 10.8 secondes : environ 333 cycles par heure. À 20 m/min, cela devient environ des cycles 667 par heure.

À un rapport de survitesse et une longueur de tampon fixes, la fréquence des cycles augmente proportionnellement à la vitesse de la ligne. La distance verticale entre les capteurs n'est pas automatiquement égale à ΔL : elle dépend de la géométrie de la boucle. Les rampes et l'hystérésis réelles modifient également le cycle. Utilisez donc le calcul pour comprendre la tendance plutôt que pour prescrire l'espacement des capteurs.

• Une plus grande réserve de boucle utilisable peut réduire la fréquence de commutation, si les limites de disposition et de courbure des tuyaux le permettent.
• Vérifiez toute la séquence d’accélération et d’arrêt sur une bobine vide et pleine.
• Confirmez la détection stable sur la surface réelle du tuyau, sa couleur et sa trajectoire de mouvement.

5. Troisième méthode : contrôle du danseur de potentiomètre

Un bras mobile ou un rouleau danseur suit la boucle du tuyau. Sa position fait tourner un potentiomètre, produisant un signal électrique variant continuellement. L'onduleur utilise ce signal directement, ou via un contrôleur, pour ajuster la vitesse d'enroulement. L'action de retour prévue est simple : si l'enroulement consomme la boucle trop rapidement, réduisez la vitesse de la bobine ; si un excès de tuyau s'accumule, augmentez-le.

Par rapport au contrôle marche/arrêt de base, le moulinet peut fonctionner avec de plus petites corrections de vitesse continues. Cela peut réduire les tractions brusques et aider à maintenir une traversée ordonnée. C'est un agencement utile pour les tuyaux flexibles et les tuyaux ondulés à simple paroi, à condition que le tuyau déplace librement le danseur et que les guides n'endommagent pas le profilé.

Le signal de position du danseur ne rapporte pas directement la tension en newtons. La tension résulte de la charge du bras, du poids du rouleau, de la géométrie du pivot, de la friction et du trajet des tuyaux. Les contrepoids, ressorts ou charges pneumatiques influencent cette force. Un réglage plus léger peut permettre une manipulation douce, mais il nécessite néanmoins une autorité de contrôle suffisante pour éviter le jeu ou la dérive.

Un potentiomètre de vitesse à commande manuelle est différent d'un potentiomètre lié à un danseur. Un bouton fournit une commande opérateur ; la correction automatique nécessite un mécanisme de rétroaction mobile réel ou un autre capteur. Lorsque vous examinez un devis, demandez ce qui fait bouger le potentiomètre et comment le variateur réagit.

Lors de la mise en service, vérifiez la direction de correction à basse vitesse, établissez une zone de fonctionnement utile à mi-course et définissez les limites de déplacement. Vérifiez ensuite les oscillations, les pivots usés, le bruit du signal et la réponse retardée de l'entraînement. Un tuyau rigide peut nécessiter une disposition mécanique différente ou une détection sans contact, plutôt qu'un bras plus lourd sur le même petit danseur.

Référence : Siemens SIMATIC Enrouleur et contrôle de tension. Le fabricant décrit le contrôle de la position du danseur et l'influence de la force et de la géométrie du danseur. Les paramètres spécifiques au canal nécessitent toujours des vérifications d'application.

6. Quatrième méthode : retour de boucle ultrasonique

Un capteur à ultrasons mesure la distance jusqu'à la boucle de tuyau sans bras de contact. Un PLC, un contrôleur dédié ou un entraînement approprié compare la position mesurée avec une cible et corrige la vitesse du rabatteur via l'onduleur. Une référence de vitesse de ligne et une estimation de rayon peuvent fournir la commande de vitesse de base, laissant le contrôleur de boucle corriger la discordance restante.

Le principal avantage est la suppression de la force de contact et du mécanisme de déplacement mécanique d'un danseur. Cela peut être utile lorsqu'un tuyau rigide est difficile à guider à travers un petit agencement de contacts, ou lorsqu'une surveillance continue de la boucle est utile. Il ne supprime pas les exigences de rayon de courbure du tuyau et ne crée pas de mouvement de boucle mesurable là où le tracé n'en prévoit aucun.

Le capteur mesure directement la distance et non la tension. Son signal utilisable dépend du déplacement du tuyau dans la zone de détection. Vérifiez la zone aveugle du capteur, la taille de la cible, l'angle, la portée, la fréquence de mise à jour et la réponse à un écho perdu. Les petites cibles rondes et les mouvements latéraux nécessitent une attention particulière. Testez le tuyau réel tout au long du parcours de boucle prévu.

Le réglage des contrôles doit s'adapter aux changements depuis la première couche jusqu'à la bobine complète. Une compensation de diamètre, un réglage du gain ou un filtrage peuvent être utiles, en fonction du variateur et de la mécanique. Une correction excessive peut faire gonfler le tuyau ; un filtrage excessif peut rendre la boucle hors course. Les paramètres appropriés proviennent de la réponse complète de la machine.

Le retour par ultrasons est une option aux côtés d'un danseur correctement conçu, d'une détection de distance optique ou d'un système de tension à cellule de charge approprié. Choisissez-le car ses dispositions de mesure et de contrôle sont adaptées à l'application, plutôt que de traiter un diamètre de tuyau particulier comme une exigence automatique pour un type de capteur.

Référence : technologie de capteur à ultrasons ifm. Explique la mesure de distance, les zones aveugles et la plage de détection en fonction de la cible. Vérifiez les données du capteur sélectionné pour l’installation réelle.

7. Traitez séparément la détection de coupure et le freinage

Lorsqu'un coupeur en amont ou un opérateur coupe le tube, la queue restante doit être gérée pendant que le dévidoir décélère. Le système a besoin d'un signal fiable de coupure ou de perte de canalisation, d'une commande d'arrêt appropriée et d'une méthode vérifiée de contrôle de la queue. Un capteur à boucle peut contribuer à la détection, mais un changement de distance ne prouve pas à lui seul que chaque coupure sera détectée.

Le temps de détection, le traitement du contrôleur, la réponse du variateur et le temps d'arrêt mécanique sont des quantités distinctes. Une commande électrique rapide ne signifie pas qu’une bobine chargée s’arrête en même temps. Vérifiez la séquence complète à la vitesse de ligne et à la charge de bobine maximales spécifiées, y compris tout défaut de variateur ou signal de capteur manquant.

L'énergie de rotation est E = ½Jω², tandis que le couple de freinage inertiel approximatif pour une décélération constante est M = Jω/t. Pour une inertie totale supposée côté bobine de 140 kg·m², une vitesse angulaire 0.37 rad/s et un temps d'arrêt 0.5 s, l'énergie est d'environ 9.6 J et le couple d'inertie d'environ 104 N·m. L'élimination moyenne de l'énergie au cours de cet arrêt est d'environ 19 W, mais la puissance de freinage inertielle initiale est d'environ 38 W. Une puissance moyenne faible ne permet donc pas d'établir un couple nominal adéquat.

Une véritable sélection comprend également l'inertie du moteur et de la boîte de vitesses par rapport au même arbre, les pertes, les charges externes, les arrêts répétés, le courant d'entraînement ainsi que la résistance autorisée et l'énergie d'impulsion de la résistance de freinage. Un frein de maintien doit être conçu pour un arrêt dynamique s'il est utilisé de cette façon. Suivez la conception d’arrêt et de protection du fabricant de l’équipement.

Référence : Manuel du variateur ABB ACS550 — freinage par résistance. La sélection des freins prend en compte la puissance de pointe, le comportement thermique et la fonction de freinage. L'exemple numérique ci-dessus est un calcul mécanique simplifié et non une spécification de composant.

8. Comparez les quatre arrangements

Le tableau compare les dispositions de base décrites ici. Une compensation de diamètre supplémentaire, un entraînement différent, un frein dédié ou un contrôleur plus sophistiqué peuvent modifier leurs performances. Le type de capteur à lui seul ne détermine pas la capacité du tuyau, la vitesse maximale ou la capacité d'arrêt.

9. Une séquence de sélection pratique

Commencez par le tuyau et les exigences de production. Pour un profil ondulé délicat, examinez la correction douce et continue de la vitesse et la force appliquée par chaque guide. Pour un tuyau à paroi solide plus rigide, déterminez si le tracé offre suffisamment de mouvement pour le retour d'information et si les rayons de guidage sont adaptés. Le même principe de contrôle peut fonctionner de manière très différente selon des mécanismes différents.

Ensuite, définissez la géométrie de la bobine vide à pleine et le poids attendu. Ceux-ci déterminent la plage de vitesse requise et affectent l'accélération et l'arrêt. Un simple entraînement peut suffire pour une combinaison et ne pas convenir à un moulinet plus lourd avec une vitesse de ligne plus rapide.

Enfin, convenez de la manière dont les performances seront démontrées. Un essai de réception utile couvre le démarrage, le fonctionnement régulier, les changements de vitesse de ligne, les inversions de traversée, la bobine complète, la séquence de coupe et le redémarrage. Inspectez à la fois l’emballage enroulé et un échantillon après le déroulement.

• Fournissez le matériau du tuyau, OD et l’épaisseur de paroi ou SDR, ainsi qu’un échantillon ou un dessin de profil.
• Spécifiez la vitesse de ligne normale et maximale, la bobine ID, OD, la largeur, la longueur requise et le poids prévu de la bobine complète.
• Identifiez qui coupe le tuyau, comment le bobineur reçoit ou détecte cet événement et le comportement d'arrêt requis.
• Demandez le capteur, le mécanisme de rétroaction, l'entraînement, la coordination transversale et l'équipement de freinage réels dans la configuration proposée.

10. Adaptez le contrôle de tension à la géométrie de la bobine

Le noyau de la bobine détermine la courbure de la première couche. L'ajout d'une traction axiale inutile ou d'une pression excessive sur les couches peut rendre la manipulation plus exigeante, tandis qu'un contrôle insuffisant peut entraîner des virages lâches ou croisés. Une méthode de contrôle de tension appropriée complète un diamètre de bobine approuvé ; il ne peut pas fabriquer un noyau trop petit adapté au tuyau.

Certaines applications réduisent la tension cible à mesure que la bobine se construit, communément appelée tension conique. La quantité utile dépend de la conduite, de la construction du serpentin et des exigences de manutention. Il n’existe pas de pourcentage de couche externe universel pour tous les tuyaux en plastique. Confirmez que l'emballage reste stable sans écraser les couches internes.

Examinez ensemble le diamètre du noyau, le contact du guide, la force d'enroulement, le pas de traversée et la réponse de coupe. La meilleure disposition est celle qui produit un tuyau acceptable et un serpentin gérable sur toute la plage de fonctionnement, avec des réglages que les opérateurs peuvent répéter.