Moteurs électriques dans le secteur du pneumatique et du caoutchouc

La production de pneumatiques et de caoutchouc est l'un des secteurs où les conditions de service intensif et le couple élevé se manifestent le plus nettement. À chaque étape, du mélange du caoutchouc brut au pressage du pneumatique fini, un entraînement puissant est nécessaire pour vaincre une matière dense et visqueuse. Les mélangeurs internes de type Banbury, les laminoirs ouverts, les extrudeuses et les presses fonctionnent tous grâce à la puissance d'un moteur asynchrone AC correctement choisi. Dans cet article, nous abordons les exigences de couple extraordinaires que le secteur du caoutchouc impose au moteur, les conditions de service intensif et les moyens d'un fonctionnement efficace et fiable sous contrainte continue.

Les machines de transformation du caoutchouc présentent un caractère de charge bien plus sévère que les équipements de production ordinaires. La matière résiste à l'écoulement, la température augmente et le moteur fonctionne souvent longtemps à pleine charge. Pour aborder le sujet dans un cadre général, notre article moteurs électriques industriels offre une bonne base.

Le rôle déterminant du moteur dans la transformation du caoutchouc

Dans une usine de caoutchouc, le moteur est la principale source de puissance qui détermine directement le rythme et la qualité de la production. Le mélange, le laminage, l'extrusion et le pressage : ces quatre opérations fondamentales exigent toutes un couple élevé et une grande robustesse. La plage de puissance des moteurs s'étend des puissances moyennes à plusieurs centaines de kilowatts et un caractère de charge lourd se rencontre presque partout.

Mélangeur interne de type Banbury (mixeur)

Au cœur de la production de caoutchouc se trouve le mélangeur interne de type Banbury. Cette machine malaxe le caoutchouc brut avec des charges, des huiles et des produits chimiques pour obtenir un mélange homogène. Comme le mélangeur doit brasser en continu une matière extrêmement visqueuse et collante, il exige du moteur un couple exceptionnellement élevé. De plus, des pointes de couple instantanées apparaissent lors du chargement du mélange. C'est pourquoi les moteurs Banbury doivent posséder à la fois un couple nominal élevé et la capacité de supporter des surcharges passagères. Nous avons examiné avec des exemples les principes du choix correct du moteur dans les applications exigeant un couple de démarrage élevé dans notre article couple de démarrage du moteur électrique de compresseur.

Entraînements de laminoirs ouverts et de calandres

Le caoutchouc mélangé est amené à l'épaisseur et à l'état de surface souhaités en passant par des laminoirs ouverts et des cylindres de calandre. Les moteurs qui entraînent ces cylindres travaillent contre la forte résistance qu'exerce la matière en passant entre les cylindres. Dans les entraînements de laminoirs, ce n'est pas seulement le couple élevé qui importe, mais aussi la stabilité de vitesse ; car les fluctuations de la vitesse des cylindres modifient l'épaisseur du produit. Comme plusieurs cylindres doivent fonctionner en synchronisme sur les lignes de calandrage, la commande du moteur doit être extrêmement précise.

Entraînement d'extrudeuse

Les extrudeuses sont utilisées pour la fabrication de produits continus tels que profilés, tuyaux et joints. La vis de l'extrudeuse fait passer le caoutchouc à travers la filière sous haute pression ; cette opération exige un couple constant et élevé. Le moteur d'extrudeuse doit assurer une vitesse stable pendant toute la production et résister à la contre-pression créée par la vis. Comme la stabilité de la vitesse détermine directement la régularité de la section du produit, la commande précise réalisée ici avec un variateur de fréquence se reflète directement sur le résultat.

Presses et systèmes de vulcanisation

Les produits en caoutchouc mis en forme prennent leur forme définitive sous chaleur et pression dans les presses de vulcanisation. Ces presses sont généralement à entraînement hydraulique et le moteur de pompe doit être puissant et robuste pour établir la haute pression. Pendant le cycle de presse, le moteur démarre et s'arrête fréquemment ; ce régime d'arrêts-démarrages accroît l'échauffement du moteur et le contraint sur le plan thermique. Un moteur de pompe de presse correctement choisi reste dans une plage de température sûre malgré les cycles fréquents.

Besoin de service intensif et de couple élevé

La charge la plus marquée que le secteur du caoutchouc impose au moteur réside dans les conditions de service intensif. Comme la matière est dense et résistante, le moteur ne tourne pratiquement jamais à vide ; il est constamment sollicité près de la pleine charge. Cette situation exige que le moteur soit conçu de façon robuste tant sur le plan mécanique que thermique. La structure du bobinage rotorique en cuivre, des roulements solides et un carter robuste sont les caractéristiques distinctives des moteurs de service intensif. Un moteur choisi dans la bonne classe fonctionne sans problème pendant de longues années même dans ces conditions difficiles.

Gestion de la température et protection du moteur

Pendant la transformation du caoutchouc, la matière comme la machine s'échauffent ; de plus, le moteur produit lui aussi de la chaleur puisqu'il est constamment en charge. Cet échauffement à double sens rend obligatoire la surveillance de la température du bobinage du moteur. Maintenir la température du bobinage dans une plage sûre prolonge directement la durée de vie du moteur. Nous avons expliqué en détail les méthodes de contrôle de la température dans notre article contrôle de la température du moteur électrique.

Comparaison : type de machine et attente vis-à-vis du moteur

Les principales machines d'une usine de caoutchouc et leurs attentes vis-à-vis du moteur sont résumées dans le tableau ci-dessous :

Poussière, noir de carbone et protection contre l'ambiance

Le noir de carbone et les poussières de charge utilisés dans la production de caoutchouc restent en suspension dans l'air et peuvent s'infiltrer à l'intérieur du moteur. Ces poussières fines et conductrices dégradent l'isolation et usent les roulements. C'est pourquoi l'indice de protection des moteurs est choisi avec soin dans les usines de caoutchouc ; dans les zones poussiéreuses, on préfère un indice IP élevé. Nous avons expliqué quel indice de protection est nécessaire dans quel environnement dans notre article choix de l'indice de protection IP du moteur électrique.

Efficacité énergétique et coût

Les usines de caoutchouc consomment beaucoup d'énergie avec leurs moteurs à couple élevé. Comme les moteurs fonctionnent en permanence près de la charge nominale, toute amélioration du rendement se traduit directement par de grandes économies. Les moteurs des classes de rendement IE3, IE4 et IE5 produisent nettement moins de pertes que les moteurs standard, et ces pertes prennent encore plus d'importance dans les conditions de service intensif. Nous avons expliqué en détail la signification des classes de rendement dans notre article moteurs électriques à haut rendement.

Commande par variateur de fréquence

Sur les machines où la précision de vitesse est importante, comme les extrudeuses et les laminoirs, le variateur de fréquence améliore à la fois la qualité de production et l'efficacité énergétique. Le variateur supprime la consommation d'énergie inutile en réglant la vitesse du moteur selon le besoin de production. Il assure en même temps un démarrage progressif et protège les organes de transmission mécaniques des couples brusques. Nous avons expliqué avec des exemples les apports de cette approche dans notre article économie d'énergie avec un variateur de fréquence.

Couple élevé à bas régime grâce à la commande vectorielle

La plupart des machines de transformation du caoutchouc exigent un couple élevé même à bas régime. Le mode de commande qui répond le mieux à ce besoin est la commande vectorielle. La commande vectorielle assure le couple plein à bas régime en pilotant finement le champ magnétique du moteur ; cela revêt une importance critique en particulier sur les machines exposées à des charges de pointe comme le mélangeur Banbury. Nous avons comparé les différences entre la commande vectorielle et la commande V/f simple dans notre article différence entre commande V/f et commande vectorielle du variateur.

Maîtrise du bruit et des vibrations

Sur les machines de service intensif, le couple élevé entraîne avec lui un risque de vibrations et de bruit. Un moteur mal équilibré ou un organe de transmission usé accroît les vibrations et nuit à la fois à la qualité du produit et à la durée de vie de la machine. Les moteurs équilibrés et à faibles vibrations offrent une durée de vie plus longue et un fonctionnement plus silencieux sur les lignes de service intensif. Nous avons rassemblé les moyens de réduire les vibrations dans notre article réduction du bruit et des vibrations du moteur électrique.

Entraînements de convoyeurs et de manutention

Dans une usine de caoutchouc, la matière première, le produit intermédiaire et le produit fini sont transportés le long de la ligne. Les convoyeurs à bande, les élévateurs et les systèmes de transport fonctionnent avec un moteur électrique. Dans ces entraînements, un fonctionnement continu et fiable est essentiel. Nous avons examiné les subtilités du choix du moteur de convoyeur dans notre article choix du moteur électrique pour bande transporteuse. Pour les moteurs de pompe des circuits auxiliaires de refroidissement et hydrauliques, vous pouvez consulter notre article choix du moteur électrique pour pompe à eau.

Ventilateurs et systèmes de refroidissement

Des ventilateurs de refroidissement et des systèmes de ventilation sont utilisés pour évacuer la chaleur qui apparaît pendant la vulcanisation et le laminage. Régler le débit de ces ventilateurs selon le besoin de production procure à la fois une économie d'énergie et un environnement de travail plus stable. Nous avons traité les principes fondamentaux du choix du moteur de ventilateur dans notre article choix du moteur électrique de ventilateur et de ventilateur d'extraction. Pour ceux qui souhaitent se remémorer les principes de fonctionnement de base du moteur, notre article qu'est-ce qu'un moteur électrique sera utile.

Arrêts-démarrages fréquents et protection contre les surcharges

Les machines de transformation du caoutchouc, en particulier les presses et les mélangeurs, s'arrêtent et redémarrent fréquemment au cours du cycle de production. Chaque démarrage représente un courant élevé et une charge thermique pour le moteur. Un moteur choisi en fonction de ce régime fonctionne sans surchauffe malgré les cycles fréquents. En outre, la protection contre les surcharges préserve le moteur des dommages lorsque la matière offre plus de résistance que prévu. Des relais de protection corrects et un contrôle thermique assurent la sécurité du moteur et de la production.

Dimensionnement correct et conception pour service intensif

Dans le secteur du caoutchouc, le dimensionnement du moteur se fait en tenant compte des charges de pointe. Un moteur choisi uniquement d'après la charge moyenne est mis en difficulté lors des pointes de couple instantanées du mélangeur Banbury et peut se mettre hors service. C'est pourquoi, dans les applications de service intensif, le moteur est choisi de manière à disposer d'une réserve suffisante face à la charge de pointe. Un bobinage rotorique puissant, une structure de roulements solide et un carter robuste sont les éléments fondamentaux de la conception pour service intensif. Un dimensionnement correct est déterminant à la fois pour la fiabilité et pour la longévité.

Maintenance et coût sur la durée de vie

Dans une usine de caoutchouc, le choix du moteur s'évalue davantage d'après le coût sur la durée de vie que d'après le prix d'achat. La consommation d'énergie d'un moteur fonctionnant en permanence près de la charge nominale atteint un montant bien supérieur au prix d'achat. Un moteur à haut rendement s'échauffe moins, vit plus longtemps et réduit le besoin de maintenance. Le contrôle régulier des roulements, la mesure de la résistance d'isolement et le suivi des vibrations empêchent les arrêts imprévus et garantissent la continuité de la production.

Les étapes de la production de pneumatiques et les points d'entraînement

La fabrication d'un pneumatique automobile passe par des dizaines d'étapes distinctes et chaque étape porte son propre besoin d'entraînement. Le caoutchouc brut est d'abord malaxé avec des charges dans le mélangeur Banbury, puis transformé en plaques sur les laminoirs. Ces plaques sont mises en profilé dans les extrudeuses, assemblées avec les nappes textiles et les nappes de câbles d'acier et mises en forme de pneumatique sur un tambour central. Enfin, le pneumatique cru mis en forme est vulcanisé sous haute température et haute pression dans la presse. La machine de chaque maillon de cette chaîne est entraînée par un moteur au profil de couple et de vitesse différent ; une usine de pneumatiques constitue donc une installation où coexistent des applications de moteurs très variées.

Synchronisation sur les lignes de calandrage

La calandre est une machine à plusieurs cylindres qui transforme le caoutchouc en plaques minces et régulières ou qui enduit la toile textile de caoutchouc. Sur cette machine, chaque cylindre doit tourner selon un rapport de vitesse précis par rapport aux autres ; sinon l'épaisseur de la plaque se dégrade ou la matière se déchire. La synchronisation de vitesse des moteurs qui entraînent les cylindres est assurée dans les installations modernes par des variateurs de fréquence. L'affectation d'un moteur et d'un variateur distincts à chaque cylindre permet de régler les rapports de vitesse depuis le logiciel et de passer rapidement d'un produit à l'autre. Cette souplesse augmente à la fois la diversité des produits et le rendement de la ligne.

Choix du moteur pour l'entraînement des presses hydrauliques

La plupart des presses de vulcanisation sont à entraînement hydraulique et le moteur électrique qui entraîne la pompe hydraulique détermine la puissance de la presse. Une haute pression est nécessaire à la fermeture de la presse, mais la pompe tourne à vide pendant l'attente de la presse. Ce profil de charge variable constitue une difficulté pour le fonctionnement efficace du moteur. Un moteur de pompe commandé par variateur de fréquence réduit largement la consommation d'énergie pendant le temps d'attente en réglant sa vitesse selon le besoin de pression. Cette approche procure une économie importante dans les installations où de nombreuses presses travaillent ensemble et évite également la surchauffe de l'huile hydraulique.

Isolation renforcée compatible avec le variateur

À mesure que l'usage du variateur de fréquence se généralise sur les machines de caoutchouc de service intensif, il est devenu important que les moteurs soient fabriqués avec une isolation renforcée adaptée à l'alimentation par variateur. Les tensions de commutation du variateur peuvent dégrader avec le temps une isolation standard ; c'est pourquoi, sur les moteurs destinés à fonctionner avec un variateur, l'isolation doit être conçue pour supporter cette contrainte. En outre, sur les moteurs de mélangeur et d'extrudeuse qui produisent un couple élevé à bas régime pendant de longues durées, la ventilation propre du moteur peut être insuffisante et des solutions de refroidissement complémentaires sont mises en service. Choisir le moteur et le variateur ensemble, comme un tout, donne le résultat le plus fiable.

Systèmes d'alimentation et de pesage du noir de carbone

Le noir de carbone, composant important du mélange de caoutchouc, est pesé dans des proportions précises puis introduit dans le mélangeur. Dans ces systèmes d'alimentation et de pesage, les convoyeurs à vis, les vannes rotatives et les mélangeurs sont entraînés par un moteur électrique. Comme le noir de carbone est une poussière extrêmement fine et conductrice, les moteurs de cette section doivent obligatoirement posséder un indice de protection élevé ; sinon la poussière pénètre dans le moteur et provoque rapidement une panne. La stabilité du système de pesage garantit l'application correcte de la recette de mélange et donc la constance de la qualité du produit. C'est pourquoi les entraînements d'alimentation, bien qu'apparemment auxiliaires, pèsent lourd du point de vue de la qualité.

Ligne de refroidissement et transport des plaques

Le caoutchouc chaud qui sort du mélangeur Banbury est acheminé à travers une ligne de refroidissement appelée batch-off. Sur cette ligne, les plaques sont immergées dans un liquide de refroidissement ou refroidies à l'air, puis empilées. Les cylindres de transport et les ventilateurs de la ligne fonctionnent avec un moteur électrique ; la vitesse de ces moteurs doit être accordée au rythme de production du mélangeur. Une inadéquation de vitesse entraîne l'accumulation ou la rupture des plaques. La commande réalisée avec un variateur de fréquence maintient la vitesse de la ligne de refroidissement synchronisée avec la production et assure un flux ininterrompu. Ainsi les rebuts diminuent et le rendement général de la ligne augmente.

L'avantage DRG Motor dans le secteur du caoutchouc

DRG Motor propose des moteurs asynchrones AC des classes de rendement IE3, IE4 et IE5, conçus pour résister aux conditions de service intensif et de couple élevé du secteur du pneumatique et du caoutchouc. Une structure robuste résistant aux charges de pointe, une conception thermique adaptée au régime d'arrêts-démarrages fréquents, un indice IP élevé pour les ambiances poussiéreuses et une compatibilité totale avec le variateur de fréquence font des moteurs DRG un choix fiable pour les applications de mélangeur Banbury, de laminoir, d'extrudeuse et de presse. Vous pouvez contacter l'équipe d'ingénierie DRG Motor pour choisir, pour chaque machine de votre ligne de production, une solution dans la bonne classe de couple, de vitesse et de rendement, et garantir ainsi la continuité de la production même dans des conditions de service intensif.