Description détaillée du broyeur à rouleaux (DIY HD)

Texte rédigé par Pierre Amadieu en Janvier 2017. (fichier source)

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Présentation générale

Le broyeur à rouleau (BR) constitue, avec le cœur du process de défibrage. Il est constitué de 12 paires de rouleaux cannelés successives et d’une roue à aubes en sortie, identifiées par leur position (P1,P2,P3… jusqu’à P13)

Comme dans l’ensemble du process, les vitesses de passage des matières pailles et fibres vont croissant dans les équipements successifs, le mot d’ordre est : toujours étirer les matières (à fin principale d’éviter bourrages et enroulements intempestifs).

Cette règle générale peut n’être pas appliquée dans quelques cas particuliers : éléments condenseurs, réception de pailles ou fibres « flottantes »

Principe

Le principe : les pailles circulant dans les dentures des paires de rouleaux sont brisées, broyées dans les dentures des rouleaux cannelés. Les fibres situées dans l’écorce gardent leur longueur, le cœur de la tige, une moelle rigide, le bois de la tige est réduite en une multitude d’agrégats : appelés dès lors la chènevotte ou les chènevottes. Les premières chènevottes séparées décantent sous les rouleaux. Les autres chènevottes libres, plus liées aux fibres, sont ensuite séparées des fibres par des étapes aval successives.

Photo pailles au poste de déroulage BR

Photo chènevottes et applications bâtiment :

Vue d’un Trommel extrayant poussière à gauche et calibrant chènevottes marchandes à droite

Fibres sorties broyeur à rouleaux

Focaliser sur longueur fibre en serpentin

Fonctions essentielles

Trois fonctions essentielles sont assurées par le BR :

en amont le BR est le siège du calibrage et de la régulation du flux des pailles, des positions P1 à P4
la déstructuration des pailles est essentiellement réalisée des positions P5 à P11
Une phase de nettoyage des chènevottes et des fibres réalisée plus intensivement aux positions P12 (écangueur) et P13 (séparateur)

Cinématique

Ces trois fonctions, ayant des contraintes de vitesse de travail spécifiques, sont motorisées indépendamment par 3 motoréducteurs :

Un premier motoréducteur couplé à un variateur électronique de vitesse pour les positions P1 à P4. Les rouleaux cannelés inférieurs, entrainés par une chaine 16B1 et pignons entrainent par engrenage de leurs dentures de travail les rouleaux cannelés supérieurs.
Un deuxième motoréducteur à vitesse fixe, et entrainant les rouleaux des positions P5 à P11 + P13 à une vitesse de passage des matières légèrement, supérieure à la vitesse en P4. Les rouleaux cannelés inférieurs, entrainés par une chaine 16B1 et pignons entrainent par engrenage de leurs dentures de travail les rouleaux cannelés supérieurs. La position P13 est entrainée par pignon et chaine depuis la position P11
Un troisième motoréducteur à vitesse plus grande pour la paire de rouleaux écangueurs en P12. les rouleaux inférieur et supérieur sont ici entrainés tous deux par engrenage, afin que leurs dentures de travail alternées ne soient jamais en contact. Ils sont donc de vitesse égale

Calibrage et régulation du flux des pailles

Le calibrage et la régulation du flux des pailles est en fait réalisé par la succession des équipements amont : Dérouleuse (1), Batteur de pailles (2), Convoyeur (3) et paires de rouleaux des positions P1 à P4 du Broyeur (6). L’ensemble des moteurs concernés de ces 4 équipements sont donc alimentés par une puissance électrique régulée par variateur(s) électronique(s) qui module(nt) leur vitesse à la demande d’un opérateur ou d’un automate.

C’est donc le différentiel entre vitesse de déroulage de la balle de chanvre dans (1) et la vitesse de passage des pailles à la position P5 qui constitue le calibrage du flux des pailles. On pourrait ici parler aussi d’étirage et de taux d’étirage.

Le calibrage et la régulation des pailles sont donc réalisés en trois points :

au déroulage/battage des pailles
à l’étirement du flux dans le broyeur à rouleaux entre les positions P1 et P5
et éventuellement sur le convoyeur (4) par l’intervention manuelle d’un opérateur

La qualité et le rendement du travail de défibrage est directement liée au calibrage optimum d’un flux de paille régulier, idéalement, ou régularisé, à minima Or la masse linéaire des matières dans les balles rondes, d’un lot de paille à une autre peut être sensiblement différente : il convient donc d’adapter en conséquence la vitesse moyenne de déroulage de la balle et de transfert des pailles. Ceci sera réalisé principalement en modifiant la transmission secondaire du motoréducteur entrainant conjointement (1) et (2). Un premier étirage et homogénéisation du flux des matières ayant donc lieu à ce stade

De plus dans une même balle le tapis de paille n’est pas régulier, il est donc nécessaire de pouvoir le régulariser : notamment freiner l’alimentation en cas de matières ponctuellement en excès, et parfois accélérer en cas de manques constatés

Les excès ponctuels de matière sont lissés entre les positions P1 et P5 par un fort différentiel de vitesse. Selon les rapports de vitesse positionnés, le transfert des matières peut y être accéléré d’un facteur allant de 1,5 à 3. Ce lissage ne constituant pas à lui seul une régulation, un variateur électronique permettra de jouer sur la vitesse de transfert des matières de l’amont de (1) à (6/P4), en le ralentissant ponctuellement dans ce cas.

Dans le cas d’un défaut de matière constaté sur le convoyeur (4), l’opérateur ou l’automate accélère, via le variateur électronique, les vitesses de déroulage et de battage

Dès lors que 2 variateurs seraient en jeu, il conviendra de savoir les coupler et les découpler.

Broyage des pailles par les rouleaux cannelés

Les pailles sont déstructurées, broyées par leur passage dans les formes des rouleaux cannelés. Les éléments déterminants dans l’entrefer de ces paires de rouleaux sont : le pas, la hauteur de la denture, dans une moindre mesure la forme et l’épaisseur de la denture.

Il est important que les pailles soient brisées sans être écrasées, compressés entre deux pièces de métal ; d’où l’importance du dimensionnement de l’entrefer qui au final est une déterminante essentielle du rendement de la ligne, car à cet entrefer est lié une épaisseur optimale du flux de paille traversant. L’entrefer est déterminé à la fois par l’écartement inter-dent, lié au pas et à l’épaisseur des dents et aussi à l’écartement entre sommet de la dent et cylindre de base des rouleaux cannelés. Seule cette dernière distance est réglable.

La séparation fibres chènevottes opérant, le flux des pailles s’amenuise au fil du process de sorte que l’on pourrait envisager une diminution à la fois des pas et des tailles de denture au fil de ce même process.

Séparation fibres/chènevottes

Lors des opérations de broyage des pailles une faible part des chènevottes décante. La séparation des chènevottes est assurée par des vitesses différentielles importantes dans le travail des matières : dans des opérations appelées selon les époques et les équipements : écangage, battage, lissage.

Le principe : une alimentation à vitesse lente des pailles et fibres est suivie d’une vitesse rapide de battage de ces pailles. Les chènevottes sont arrachées et projetées alors que les fibres sont maintenues.

Architecture générale

Un châssis montant incliné à 38° par rapport à l’horizontale, posés sur une paire de pieds amont et une paire de pied aval. Chaque coté du châssis est constitué de deux poutres, tubes de section rectangulaire. Chaque poutre étant usinée de manière à recevoir les embouts d’arbres des rouleaux cannelés broyeurs.

Il y a 12 paires de rouleaux ainsi qu’une position P13 de nettoyage à une seule roue.

Des carters supérieurs permettent de contenir les poussières, les tôles carters inférieures réceptionnent et guident poussières et chènevottes qui décantent.

Des hôtes aspirantes seront positionnées, à l’expérience, afin de capter l’air chargé en poussière, à priori en aval de la position P13 et éventuellement en position P1.

Les 3 motoréducteurs sont fixés sous les poutres inférieures, où perçages et lumières sont aménagés pour assurer leur fixation et la tension des chaines ou courroies de transmission.

En position P13, les chènevottes décantent sous la roue à aubes.

En sortie de position P13, les fibres sont réceptionnées et conduite vers le Broyeur/lisseur par un toboggan, réglable en position.

Vitesses de travail

Considérons une balle ronde de paille de chanvre de 120x120, la masse linéaire de l’andain enroulé est de 2 à 3 kg/m . le rendement optimum visé avec le DIYHD est de 500kg/heure, soit, en incluant des temps morts liés au déroulement du cœur de balle et au changement de balle des vitesses prévisionnelles de déroulage entre 3 et 5 m/mn.

Afin de procéder à un étirage conséquent du flux de paille la vitesse linéaire de passage des matières en position P5 sera réglée entre 20 et 30 m/mn. En position P11 la vitesse de passage des matières ne devrait être que de 10 à 20 % supérieure.

On peut donc envisager une vitesse de passage du convoyeur compris entre 10 et 15 m/mn. Donc un passage des matières en P1 compris entre 12 et 18 m/mn. L’accélération des matières entre P1 et P4 étant régulièrement répartie considérant que vitesse P5 = 1,05 à 1,1 x vitesse P4

En P12 la vitesse est 10 fois supérieure vitesse P11. valeur à affiner par l’expérience du prototype.

En P13 la vitesse périphérique de la roue à Aube se situera entre 1,2 et 1,5 vitesse linéaire en P11

Un débit de 500kg/heure en entrée matière première paille induit une production d’environ :

175 kg de fibres par heure.
- Soit avec un enroulement sur le bobineur à 40m/mn la production d’un ruban de fibre pesant en moyenne 75 gr/ml

Construction

Usinage et réalisation des pièces

Les arbres

débiter aux longueurs précisées le nombre d’arbres.
Réaliser à l’aide d’une fraiseuse les rainures de clavettes selon les cotes indiquées.

Les rouleaux de base

débiter ou faire débiter les tubes aux longueurs indiqués.

Dentures

débiter et usiner éventuellement les différentes dentures

Rouleaux cannelés

souder les joues des rouleaux sur les moyeux à souder
à l’aide des moyeux amovibles positionner les joues à l’intérieur des cylindres avant de les souder selon les cotes précisées
à l’aide des différents gabarits de soudure, équiper les rouleaux de bases de leurs dentures respectives par opérations de soudure

Roue à aubes

assembler et souder les différentes joues sur leur moyeux à souder
monter sur l’arbre en prenant soin d’aligner les lumières qui vont recevoir les aubes
glisser les aubes dans leur logement
souder aubes et joues

Poutres et entretoises poutres

débiter et usiner les poutres et entretoises châssis.
- En utilisant éventuels gabarits, matériel de traçage et pointage, perceuses, meuleuses et fraises portative et perceuse d’atelier à colonne.
- Ou bien toute sous-traitance éventuelle : usinage laser…
Préparer et souder les pieds amont
Préparer les pieds avals et souder leurs fourreaux
Préparer et souder les fourreaux d’entretoise châssis
Préparer et souder les rehausses

Entretoises châssis

débiter et préparer

Paliers glissants

débiter, usiner les différentes pièces
souder les pièces des supports palier glissant

Tôles fines et plats épais

usiner à l’atelier ou sous traiter découpe laser

Achat équipements préfabriqués

Motoréducteurs, paliers fontes, moyeux à souder, moyeux amovibles, pignons sur moyeux amovibles, ressorts, chaines de transmission 16B et 10B, visserie, M12 essentiellement, rivets, apprêt antirouille et peinture et divers

Réceptionner, contrôler, dispatcher et utiliser le moment venu

Protection et peinture

A la fin des opérations d’usinage et de préparation des différentes pièces et sous-ensembles, confirmer détourage et ébavurage, dégraisser, appliquer une sous couche antirouille et peindre les équipements indiqués.

NB : Veiller à ne pas peindre certaines surfaces, indiquées également

Assemblage de l’ensemble

monter les pignons tendeurs sur la poutre inférieure
visser les paliers fontes :
- sur les poutres châssis inférieures
- sur leurs supports paliers glissants
équiper les poutres supérieures de tous leurs équipments paliers glissants, hors système de compression
préparer table d’assemblage
positionner poutre inférieure droite avec entretoises chassis basses
enfiler tous rouleaux inférieurs à leur position respective, inclus P13
enfiler poutre inférieure gauche sur tous arbres de rouleaux inférieurs
bloquer entretoises châssis
positionner entretoise poutre sur poutre inférieure droite
positionner et fixer poutre sup droite sur poutre inférieure droite
enfiler tous rouleaux supérieurs à leur position respective
enfiler poutre supérieure gauche sur tous arbres de rouleaux supérieurs
bloquer entretoises châssis haute
positionner contreventement
régler équerrages, position châssis et position rouleaux, bloquer toute visserie
positionner tous éléments de transmission, relais, pignons, chaines
positionner ressorts de compression, fixer leur chapeau
positionner et fixer tôles carters supérieurs
lever et poser sur pieds, contreventer et bloquer pieds aval
positionner motoréducteurs, monter chaines de transmission
positionner et fixer tous carters

Manutention

Le poids du Broyeur à rouleaux n’est pas confirmé à ce jour, mais il devrait dépasser les 2 tonnes. Prévoir donc matériel de manutention adapté. Des perçages sur les rehausses entretoises ont été aménagés afin de visser 4 anneaux de levage pour positionner manilles et élingues souples

D’une longueur de châssis de 3725mm, son emprise au sol est d’environ 3000 x 1500

Assemblage sur la ligne

L’assemblage de la ligne sera détaillé dans un document complet st spécifique. Néanmoins, rappelons que le Broyeur à rouleaux :

sera fixé au sol et contreventé
sera relié et fixé au convoyeur de paille
recevra la vis 1, en amont, à l’intersection de ses pieds et des poutres châssis
recevra le toboggan de chute des fibres à son aval
sera relié et fixé au Lisseur-Briseur ?
recevra des chemins de câbles et hottes d’aspiration d’air chargé.
recevra d’éventuels capteurs

En cours de conception : entrainement des rouleaux écangueurs en position P12

Après les opérations de broyage des pailles jusqu’en position P11, la position P12 est le siège de l’opération d’écangage, ainsi nommée dans les archives du chanvre textile d’époque pré industrielle.

Cette opération consiste en un battage rapide des pailles de chanvre maintenues par une forme visant à arracher et projeter les chènevottes, libres ou liées, des fibres.

Dans notre cas cette opération est réalisée par 2 rouleaux cannelés, construits sur une base de cylindre ø139,7, comme les rouleaux P5 à P11, mais avec les particularités suivantes :

ces rouleaux ne comptent que 6 dents
dents qui sont en fait des porte-lames, elles sont percées à cet effet
les lames, en acier trempé, type dos de lame de banc de scierie bois, lisses et maintenue contre la dent par une bride en fer plat
- ø extérieur 254 mm maxi
le rouleau supérieur, positionné sur palier glissant sera doté d’une course telle qu’elle ne pourra pas permettre un saut de dent d’engrenage.
- Cette course sera limitée par butées
- Elle sera contrainte par ressorts de compression ou rondelles élastiques

La cinématique de la position P13 est ainsi définie :

motorisée indépendamment avec motoréducteur positionné sous le châssis
vitesse tangentielle au moins 10 fois la vitesse en P11, soit 220 à 360 m/mn mini soit environ 275 à 450 tr/mn mini
dents des rouleaux inférieur et supérieur strictement alternées
engrenage parallèle au nombre de dents multiple de 6 et au module le plus important pour un diamètre primitif proche de 215 mm
- proposer plusieurs possibilités pour éventuelle modification d’entrefer
denture hélicoïdale ?

Confirmer donc :

les choix possibles d’engrenage (ø primitif et module)
- à priori retenus pignons droits acier module 4,0, 54 dents, ø primitif 216
définition des lames acier et contre lames (dimensions fixation…) à positionner sur dents percées déjà définies (modifications acceptées)
butées et système d’effort sur la course du rouleau supérieur
dessin des équipements et assemblage
motoréducteur, choix des rapports de transmission secondaire