Domaine Technique
-
Le présent exposé concerne un procédé de commande d'une pompe de machine de chantier ainsi qu'un système de commande, une machine de chantier et un programme d'ordinateur mettant en oeuvre ce procédé de commande.
-
Un tel procédé de commande peut être utilisé pour tout type de pompe et tout type de machine de chantier utilisée dans le domaine du bâtiment et de la construction, et notamment les machines de pompage et/ou le malaxage de produits pâteux ou visqueux tels que les mortiers, les bétons et les chapes fluides.
Technique antérieure
-
Les machines connues destinées au pompage et/ou au malaxage des produits pâteux ou visqueux du secteur du bâtiment et de la construction pâtissent d'un rendement assez faible et d'une usure rapide.
-
En effet, la plupart des pompes utilisées par ces machines comprennent des organes mettant en oeuvre des matériaux déformables, du type élastomère, qui se détériorent rapidement en raison de la viscosité et de l'abrasivité des produits pompés. Cela est notamment le cas des pompes péristaltiques et des pompes à cavité progressive (PCP). Ainsi, ces pompes, dont le rendement initial est déjà assez faible, voient leur rendement décroître rapidement à mesure que ces organes s'usent, jusqu'à ce qu'elles ne parviennent plus à assurer leur fonction.
-
Un deuxième phénomène de reflux vient encore aggraver la situation. En effet, la viscosité des produits pompés entraîne une élévation importante de la pression en sortie de pompe, élévation d'autant plus importante que les conduites de transport connectées en sortie de la pompe sont généralement de faible diamètre (50 mm le plus souvent), de grande longueur (fréquemment supérieure à 20 m), avec de forts coefficients de frottement, et entraînent donc d'importantes pertes de charge.
-
La pression ainsi obtenue en sortie de pompe peut alors significativement dépasser les caractéristiques de tenue des matériaux des pompes, entraînant alors des reflux qui entravent la progression du produit et, compte tenu de l'abrasivité de ce dernier, détériorent rapidement les organes mobiles de la pompe ainsi que ses segments d'étanchéité.
-
Il existe donc un réel besoin pour un procédé de commande d'une pompe de machine de chantier ainsi qu'un système de commande, une machine de chantier et un programme d'ordinateur, permettant de réduire les inconvénients inhérents aux configurations connues précitées.
Exposé de l'invention
-
Le présent exposé concerne un procédé de commande d'une pompe de machine de chantier, ladite pompe étant configurée pour pomper des produits fluides, pâteux et/ou visqueux tels que des mortiers, des bétons ou des chapes fluides, comprenant les étapes suivantes :
- commande de la pompe à une première vitesse de pompage selon une consigne souhaitée par l'utilisateur,
- détermination du débit de sortie de produit de la machine de chantier,
- réduction progressive de la vitesse de pompage de la pompe tant que le débit de sortie de produit reste stable, jusqu'à atteindre une deuxième vitesse de pompage à partir de laquelle le débit de sortie de produit commence à décroître, et
- stabilisation de la vitesse de pompage.
-
Pour les raisons expliquées plus haut, les pressions en sortie de telles pompes de machines de chantier sont très élevées, dépassant classiquement 10 bar, et conduisent donc ces pompes à fonctionner au-delà de leur domaine de fonctionnement théorique. Les inventeurs ont alors constaté que, dans de tels domaines de pression, au-delà d'une certaine vitesse de rotation, le débit de sortie de produit ne croit plus de manière linéaire en fonction de la vitesse de rotation : en effet, dans ce domaine de fonctionnement, l'effort à fournir est de plus en plus important pour parvenir à augmenter le débit de sortie du produit. En conséquence, le rendement de la pompe décroit de plus en plus à mesure que l'on cherche à atteindre un débit de sortie élevé.
-
Toutefois, en raison probablement de la viscosité du produit pompé, les inventeurs ont constaté que si un effort important devait être réalisé pour établir un débit de sortie donné, il était possible ensuite, une fois ce débit établi, de le maintenir en exerçant un effort moins important. Autrement dit, les inventeurs ont découvert que la relation liant le débit de sortie de la pompe à sa vitesse de rotation de la pompe présentait, dans un tel domaine de fonctionnement, un phénomène d'hystérésis.
-
Ainsi, grâce au procédé de commande selon le présent exposé, il est possible de tirer profit de ce phénomène d'hystérésis pour parvenir, une fois un débit de sortie établi, à réduire la vitesse de rotation de la pompe tout en maintenant le débit de sortie ainsi établi. On parvient ainsi à augmenter le rendement de la pompe.
-
De plus, en réduisant ainsi la vitesse de rotation de la pompe pour un débit de sortie donné, on évite de sur-solliciter inutilement les organes internes de la pompe : on parvient ainsi à limiter l'impact de ce régime de surpression sur les organes internes de la pompe, notamment ses organes déformables, ce qui augmente la durée de vie de la pompe. En effet, on comprend que, sans l'étape de réduction de vitesse proposée par ce procédé, le différentiel d'énergie associé à ce différentiel de vitesse, non productif puisqu'il a lieu à débit de sortie constant, contribue à détériorer les organes internes de la pompe. Dès lors, on obtient également une diminution des phénomènes de reflux.
-
En particulier, les produits pompés peuvent avoir une viscosité supérieure à 500 Pa.s, de préférence comprise entre 500 et 5000 Pa.s.
-
Dans certains modes de réalisation, la pompe est une pompe volumétrique. En effet, ces pompes volumétriques comprennent souvent des organes déformables et sont donc particulièrement sensibles aux surpressions et aux phénomènes de reflux.
-
Dans certains modes de réalisation, la pompe comprend au moins un élément déformable susceptible de causer un reflux dans la pompe.
-
Dans certains modes de réalisation, la pompe est une pompe à cavité progressive ou une pompe péristaltique. Ces deux types de pompe comprennent des organes déformables. En particulier, les pompes à cavité progressive sont fréquemment utilisées dans les machines de chantier destinées à pomper et/ou malaxer des produits pâteux ou visqueux.
-
Dans certains modes de réalisation, la pompe est à commande hydraulique.
-
Dans certains modes de réalisation, la pompe est commandée par un moteur hydraulique à débit variable.
-
Dans certains modes de réalisation, la vitesse de la pompe est déterminée par mesure du débit hydraulique de la pompe hydraulique.
-
Dans certains modes de réalisation, la vitesse de la pompe est déterminée par mesure de la vitesse de rotation de son axe.
-
Dans certains modes de réalisation, la pompe est utilisée dans un domaine de pression allant au-delà de son domaine de pression nominal. Ce domaine de pression nominal est le domaine de pression indiqué par le constructeur de la pompe. En conséquence, la pompe est utilisée en dehors de son domaine de rendement optimal. Le procédé proposé permet alors de limiter la baisse de rendement nécessairement observée en dehors de ce domaine optimal.
-
Dans certains modes de réalisation, la machine de chantier comprend une conduite de sortie de produit connectée à la sortie de la pompe. Cette conduite de sortie, en raison de sa longueur élevée et de son diamètre réduit, contribue fortement aux pertes de charges générées par le produit pompé et donc à l'augmentation de la pression en sortie de pompe.
-
Dans certains modes de réalisation, la conduite de sortie de produit possède un diamètre inférieur ou égal à 100 mm, de préférence inférieur ou égal à 50 mm.
-
Dans certains modes de réalisation, la conduite de sortie de produit possède une longueur supérieure ou égale à 10 m, de préférence supérieure ou égale à 20m.
-
Dans certains modes de réalisation, la conduite de sortie de produit est souple. Elle peut notamment être réalisée en élastomère. Ceci contribue encore à augmenter les pertes de charges générées par le produit pompé.
-
Dans certains modes de réalisation, le débit de sortie de la machine de chantier est déterminé par mesure directe à la sortie de la machine de chantier à l'aide d'un débitmètre. Si la machine de chantier est équipée d'une conduite de sortie, cette mesure de débit de sortie pourra être réalisée à la sortie de la conduite de sortie. Par exemple, ce débitmètre peut être un débitmètre électromagnétique.
-
Dans certains modes de réalisation, le débit de sortie de la machine de chantier est déterminé par calcul à partir de la mesure de la pression à la sortie de la pompe. En particulier, un capteur de pression, par exemple à membrane, peut être prévu à la sortie de la pompe. Un tel calcul peut s'appuyer sur la loi de Poiseuille, le long de la conduite de sortie, cette loi s'exprimant ainsi :
où
- Q est le débit volumique, c'est-à-dire le débit de sortie,
- ΔP est la pression différentielle entre la pression à la sortie de la pompe et la pression atmosphérique,
- r est le rayon intérieur de la conduite de sortie,
- η est la viscosité dynamique du produit pompé, et
- l est la longueur de la conduite de sortie.
-
Dans certains modes de réalisation, la machine de chantier comprend une interface homme-machine permettant de renseigner au moins un paramètre de la conduite de sortie et/ou du produit pompé. En particulier, il est possible de renseigner les valeurs de r, η et/ou de I. Il est également envisageable de choisir le nom du produit dans une liste ou bien encore de choisir une configuration préenregistrée.
-
Dans certains modes de réalisation, une nouvelle deuxième vitesse de pompage est déterminée à chaque fois qu'une nouvelle consigne est réglée par l'utilisateur. Ainsi, à chaque fois que l'utilisateur modifie la consigne de débit, directement ou en modifiant manuellement la vitesse de rotation de la pompe, le procédé de commande adapte automatiquement la vitesse de rotation de la pompe pour obtenir le même débit de sortie, correspondant à la consigne de l'utilisateur, avec une vitesse de rotation plus faible. Le rendement de la pompe est ainsi optimisé en tout temps.
-
Dans certains modes de réalisation, l'étape de réduction progressive de la vitesse de pompage est réalisée par incréments, c'est-à-dire de manière discontinue. La valeur de ces incréments peut être fixe et prédéterminée ou bien variable en fonction de la vitesse de rotation de la pompe. Par exemple, cette réduction est réalisée par incrément de 2% de la vitesse de consigne avec une scrutation continue des effets de cette réduction. Cette boucle de régulation se reproduit à intervalle régulier, par exemple toutes les 10s.
-
Dans certains modes de réalisation, l'étape de réduction progressive de la vitesse de pompage est réalisée de manière continue, de préférence de manière linéaire.
-
Dans certains modes de réalisation, l'étape de réduction progressive de la vitesse de pompage est réalisée selon une pente comprise entre 100 t/min-2 et 200 t/min-2.
-
Dans certains modes de réalisation, au cours de l'étape de stabilisation de la vitesse de pompage, la vitesse de pompage est stabilisée à la valeur de la deuxième vitesse de pompage.
-
Dans certains modes de réalisation, au cours de l'étape de stabilisation de la vitesse de pompage, la vitesse de pompage est stabilisée à une valeur comprise entre la deuxième vitesse de pompage et la première vitesse de pompage. Autrement dit, au cours de l'étape de stabilisation de la vitesse de pompage, la vitesse de pompage est remontée au-dessus de la deuxième vitesse de pompage. Cela est par exemple utile si le débit de sortie a décru de manière trop importante avant l'étape de stabilisation.
-
Procédé de commande, dans lequel, au cours de l'étape de stabilisation de la vitesse de pompage, la vitesse de pompage est stabilisée à une valeur V3 établie selon l'équation suivante : V3 = V2 + e,
- où V2 est la deuxième vitesse de pompage, et
- e est une valeur strictement positive inférieure à 10% de V2.
- Cette valeur e peut être fixe et prédéterminée ou bien variable et fonction de la valeur de V2.
-
Dans certains modes de réalisation, la valeur e est comprise entre 1 t/min et 30 t/min.
-
Dans certains modes de réalisation, le débit de sortie de produit est scruté en permanence et la vitesse de pompage est ajustée en permanence pour rechercher la plus petite vitesse permettant d'obtenir le débit de sortie de produit souhaité. Dans un tel cas, l'étape de stabilisation est réalisée de manière dynamique, ce qui permet d'optimiser le rendement de la pompe en tout temps.
-
Le présent exposé concerne également un système de commande pour une machine de chantier comprenant une pompe configurée pour pomper des produits fluides, pâteux et/ou visqueux tels que des mortiers, des bétons ou des chapes fluides, comprenant
- un capteur, configuré pour mesurer le débit de sortie de produit de la machine ou un paramètre représentatif de ce débit de sortie de produit,
- une unité de commande, configurée pour piloter la pompe et lui imposer une vitesse de pompage,
- dans lequel l'unité de commande est configurée pour, dans un premier temps, commander la pompe à une première vitesse de pompage,
- dans lequel l'unité de commande est configurée pour, dans un deuxième temps, réduire progressivement la vitesse de pompage de la pompe tant que le débit de sortie de produit reste stable, jusqu'à atteindre une deuxième vitesse de pompage à laquelle le débit de sortie de produit commence à décroître, et dans lequel l'unité de commande est configurée pour, dans un troisième temps, stabiliser la vitesse de pompage.
-
Tout ou partie des caractéristiques additionnelles présentées ci-avant au sujet du procédé de commande peuvent être transposées à ce système de commande, et vice-versa. En particulier, ce système de commande bénéficie de tous les avantages du procédé de commande présenté ci-avant.
-
Le présent exposé concerne également une machine de chantier, comprenant
- une pompe, configurée pour pomper des produits fluides, pâteux et/ou visqueux tels que des mortiers, des bétons ou des chapes fluides, et
- un système selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents.
-
Le présent exposé concerne également un programme d'ordinateur, comprenant des instructions pour exécuter les étapes du procédé de commande de l'un quelconque des modes de réalisation précédents.
-
Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'exemples de réalisation du procédé de commande, du système de commande et de la machine de chantier proposés. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés.
Brève description des dessins
-
Les dessins annexés sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l'exposé.
-
Sur ces dessins, d'une figure à l'autre, des éléments (ou parties d'élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de référence.
- [Fig. 1] La figure 1 est une vue en perspective d'un exemple de machine de chantier selon l'exposé.
- [Fig. 2] La figure 2 est un schéma du système de commande de cette machine de chantier.
- [Fig. 3] La figure 3 illustre de manière schématique le procédé de commande mis en oeuvre par ce système de commande.
Description des modes de réalisation
-
Afin de rendre plus concret l'exposé, un exemple de procédé de commande et de système de commande équipant une machine de chantier est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Il est rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple.
-
La figure 1 illustre un exemple de machine de chantier 1 selon l'exposé. Cette machine de chantier 1 prend la forme d'une remorque munie de roues 2 et d'un système d'attelage 3. Elle comprend un châssis 10, une pompe 20 et un module de distribution 30.
-
La machine de chantier 1 comprend une trémie 11, montée dans le châssis 10. Cette trémie 11 est destinée à recevoir un produit fluide à distribuer sur un chantier, par exemple une chape. Ainsi, typiquement, la trémie sera alimentée en produit fluide à l'aide d'un camion malaxeur. Une grille 12, faisant office de crible ou de tamis, est prévue au sommet de la trémie 11 afin de retenir d'éventuelles particules indésirables de grandes dimensions tels des cailloux.
-
La pompe 20 est ici une pompe à cavité progressive. Elle comprend un stator en matériau élastomère, enfermé dans un carter métallique 21 et formant une succession de cavités axiales, et un rotor engagé dans les cavités du stator.
-
La machine de chantier 1 comprend également un dispositif d'entraînement monté 13 dans le châssis 10 (visible de manière schématique sur la figure 2), associant un moteur thermique, par exemple du type diesel, à une machine hydraulique. L'arbre de sortie de ce dispositif d'entraînement 13 est accouplé à un arbre de transmission s'étendant à travers la trémie 11 et portant des organes de transport, par exemple une vis d'Archimède, permettant d'entraîner le produit fluide vers un orifice de sortie de la trémie 11 communiquant avec la pompe 20. L'arbre de transport est lui-même accouplé avec le rotor de la pompe 20. Ainsi, le dispositif d'entraînement 13 est capable d'imposer la vitesse de rotation V de la pompe 20, c'est-à-dire sa vitesse de pompage. A cet égard, un capteur de vitesse 14 est monté sur l'un de ces arbres afin de mesurer en temps réel la vitesse de rotation V de la pompe 20.
-
Le module de distribution 30 prend la forme d'un cône comprenant une plaque d'extrémité amont 31, connectée à la sortie de la pompe 20, et une plaque d'extrémité aval 32, permettant de raccorder une conduite de sortie. Le module de distribution 30 comprend en outre un capteur de pression 33, du type à membrane, permettant de mesurer la pression du produit fluide en sortie de la pompe 20.
-
La machine de chantier 1 comprend également un calculateur 40 recevant, notamment, les mesures de la pression en sortie de la pompe 20, transmises par le capteur de pression 33, et les mesures de la vitesse de rotation de la pompe 20, transmises par le capteur de vitesse 14, et capable de commander le dispositif d'entraînement 13 de manière à piloter la vitesse de la pompe 20.
-
Le calculateur 40 est également équipé d'une interface homme-machine 41 comprenant au moins un écran et plusieurs boutons. Parmi de possibles autres fonctions, cette interface homme-machine 41 permet, d'une part, de renseigner les paramètres de la configuration dans laquelle il est prévu de faire fonctionner la machine 1. En particulier, l'interface homme-machine 41 permet de renseigner le diamètre et la longueur de la conduite de sortie actuellement raccordée à la sortie de la machine 1. Elle permet également de renseigner la nature du produit fluide actuellement présent dans la machine 1 : le calculateur 40 extrait alors de sa mémoire la valeur de la viscosité de ce produit.
-
D'autre part, l'interface homme-machine 41 permet à l'utilisateur de régler une consigne de vitesse ou bien, selon le mode de réalisation de la machine 1, une consigne de débit. Dans le présent exemple, l'interface homme-machine 41 comprend ainsi un bouton « + » permettant d'accélérer la pompe 20, et donc d'augmenter le débit de sortie, et un bouton « - » permettant de ralentir la pompe 20, et donc de diminuer le débit de sortie.
-
La machine de chantier 1 comprend ainsi un système de commande 50, représenté schématiquement sur la figure 2, mettant en oeuvre le calculateur 40, le capteur de vitesse 14, le capteur de pression 33 et l'interface homme-machine 41, et capable de commander le dispositif d'entraînement 13 et donc la pompe 20.
-
Le procédé de commande utilisé par le système de commande 50 va maintenant être décrit en référence à la figure 3.
-
Ce procédé de commande commence par une étape 81 dans laquelle le calculateur 40 vérifie si l'utilisateur a modifié la consigne à travers l'interface homme-machine 41. Lorsque cela est le cas, en particulier lors de la mise en route de la machine 1, le calculateur progresse à l'étape 82 et commande le dispositif d'entraînement 13 de manière à satisfaire la consigne de l'utilisateur. La vitesse de rotation V ainsi atteinte, et mesurée par le capteur de vitesse 14, est enregistrée par le calculateur en tant que première vitesse V1.
-
Le calculateur 40 détermine alors, au cours de l'étape 83, le débit de sortie Q de la machine 1. Dans le présent exemple, ce débit de sortie Q est calculée par le calculateur 40 sur la base de la mesure de la pression P en sortie de la pompe 20, transmise par le capteur de pression 33, à l'aide de la loi de Poiseuille, la viscosité dynamique η du produit transporté ainsi que le rayon r et la longueur l de la conduite de sortie ayant été renseignés à l'aide de l'interface homme-machine 41. Le calculateur 40 enregistre alors ce débit de sortie en tant que débit de référence Qref associé à la première vitesse V1.
-
Ensuite, au cours de l'étape 84, le calculateur 40 réduit la vitesse de rotation V de la pompe 20 d'un certain incrément puis, au cours de l'étape 85, vérifie si le débit de sortie Q a diminué par rapport au débit de référence Qref. Si cette diminution ΔQ est négligeable, c'est-à-dire inférieure à une valeur seuil ε prédéterminée, le calculateur reprend les étapes 84 et 85 en boucle jusqu'à ce que le débit de sortie Q présente un écart ΔQ par rapport au débit de sortie de référence Qref supérieur à la valeur seuil ε. Cette valeur seuil est de préférence comprise entre 2 et 3% du débit de référence Qref.
-
Lorsque cette condition est réalisée, le calculateur détermine, au cours de l'étape 86, la vitesse de rotation V de la pompe 20 et l'enregistre en tant que deuxième vitesse V2.
-
Enfin, au cours de l'étape 87, le calculateur 40 stabilise la vitesse de rotation V de la pompe 20. Dans le présent exemple, cette stabilisation consiste à rehausser la vitesse de rotation à une troisième vitesse V3 légèrement supérieure à V2. Plus précisément, dans cet exemple, la stabilisation vise à retrouver le débit de référence Qref à ε près.
-
Une fois la vitesse de rotation V stabilisée, le calculateur reprend le processus au début et attend jusqu'à ce que l'utilisateur demande à nouveau une modification de vitesse.
-
Toutefois, dans cet intervalle, le calculateur peut également continuer, en permanence ou à intervalle régulier, de scruter la vitesse de rotation V de la pompe 20 et le débit de sortie Q de la machine 1 afin d'ajuster la vitesse de rotation V à la vitesse minimale permettant d'assurer le débit de sortie de référence Qref. Ceci permet de continuer, en dehors de toute intervention de l'utilisateur, d'optimiser vitesse, et donc le rendement, de la pompe 20 même en cas d'instabilité ou de perturbation transitoire dans le fonctionnement de la pompe 20.
-
Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.
-
Il est également évident que toutes les caractéristiques décrites en référence à un procédé sont transposables, seules ou en combinaison, à un dispositif, et inversement, toutes les caractéristiques décrites en référence à un dispositif sont transposables, seules ou en combinaison, à un procédé.
