Soutenir les charges de choc : faible

May 26, 2023

Dans d'importants segments industriels à travers le monde, il continue d'y avoir des investissements majeurs dans des équipements à grande échelle qui intègrent des systèmes de déplacement et de manutention de matériaux lourds. Dans les applications minières telles que les excavatrices à roue à godets et les convoyeurs, les broyeurs de métaux dans les opérations de recyclage, ainsi que les systèmes de treuil et les équipements de forage dans les applications offshore, de puissants entraînements à basse vitesse qui peuvent fournir un couple élevé et fonctionner de manière fiable dans des environnements difficiles et exigeants sont en haute demande.

Il existe plusieurs types de plates-formes d'entraînement qui conviennent à cela. Cependant, un nombre croissant d'exploitations constatent que l'entraînement direct hydraulique (HDD) offre les performances requises par ces systèmes. Les systèmes HDD offrent des avantages de performance significatifs pour les applications où une masse lourde doit être déplacée à des vitesses variables à l'aide d'un système capable de gérer des "charges de choc" (augmentations soudaines du poids et de la masse des charges déplacées), combinées à la capacité de fournir de l'énergie - des performances efficaces et fiables — fonctionnant souvent 24 heures sur 24, sept jours sur sept.

L'utilisation la plus courante des systèmes HDD est pour les applications industrielles déplaçant des masses lourdes de manière continue avec une faible vitesse et un couple élevé, et un couple de démarrage particulièrement élevé pour les opérations avec des arrêts et démarrages fréquents. Les matériaux déplacés peuvent être effectués à basse vitesse, généralement dans une plage de zéro à 200 rotations par minute (RPM).

Ces systèmes fonctionnent également bien dans les applications où se produisent des "charges de choc", où de grandes charges lourdes sont larguées sur des convoyeurs mobiles, des alimentateurs, des concasseurs ou des tambours tournants, faisant soudainement varier la taille de la charge de plusieurs tonnes pendant les opérations normales. Le variateur doit être capable de répondre à la charge de choc sans usure excessive des composants du variateur.

Les disques durs offrent ces performances en raison de leur conception unique, plus précisément parce qu'ils sont des "entraînements directs" qui transmettent toute l'énergie de leur fonctionnement à l'arbre qu'ils entraînent. Un disque dur est un système fermé avec un moteur hydraulique à basse vitesse en son cœur. Capable de maintenir un couple élevé même à vitesse minimale, le moteur hydraulique est monté directement sur l'arbre d'entraînement - il n'y a pas besoin de réducteur de vitesse, de courroies, de chaînes ou de pignons.

La puissance est fournie au moteur hydraulique par une unité d'entraînement séparée, qui peut être positionnée presque n'importe où par rapport à l'installation. L'unité d'entraînement contient au moins un moteur à induction à courant alternatif standard, qui tourne à une vitesse fixe et entraîne une pompe à pistons axiaux à cylindrée variable. C'est le débit variable d'huile de la pompe qui détermine la vitesse et la direction de l'entraînement.

Le système HDD complet comprend également le contrôleur de pompe intelligent, l'alimentation en fluide hydraulique, les flexibles de raccordement et le câblage. L'unité de puissance est connectée au moteur hydraulique sur l'arbre via des câbles et des flexibles ; cela permet aux concepteurs de système de positionner la pompe, le moteur électrique et les contrôleurs dans une enceinte éloignée de l'axe opérationnel. Cela permet une plus grande flexibilité de conception et protège ces composants des conditions de fonctionnement difficiles.

Les systèmes HDD sont de plus en plus utilisés dans les applications d'équipement lourd ; néanmoins, il existe d'autres systèmes d'entraînement utilisés pour fournir la même fonction. Les entraînements industriels plus traditionnels sont généralement disponibles en deux plates-formes : un moteur d'entraînement à vitesse moyenne ou élevée, qui peut être hydromécanique ou électromécanique, combiné à un réducteur de vitesse pour fournir le fonctionnement à faible vitesse et à couple élevé.

Les entraînements hydromécaniques (HMD) ont un couple et une vitesse de base similaires à ceux d'un disque dur, mais l'entraînement est connecté à l'arbre d'entraînement du système via un réducteur de vitesse. Cette configuration crée des pertes mécaniques qui réduisent le couple de sortie. La perte exacte de couple dépend du type de réducteur utilisé, du nombre d'étages dont il dispose et du facteur de surdimensionnement.

Un entraînement à courant alternatif à vitesse variable (ACD) combine un moteur à induction à courant alternatif à grande vitesse avec un réducteur de vitesse pour atteindre une faible vitesse de fonctionnement. Dans certains cas, un accouplement hydraulique doit être installé entre le moteur et le réducteur. Il existe plusieurs méthodes différentes pour contrôler un ACD. Ces méthodes permettent généralement à une vitesse contrôlable de s'étendre de 0 à 100 Hz dans les applications à usage intensif. Lorsqu'il fonctionne à la fréquence nominale de 50/60 Hz, le variateur peut fonctionner en continu à 100 % du couple nominal du moteur ; cependant, à vitesse inférieure, le couple continu disponible est réduit.

Les systèmes HDD offrent plusieurs avantages inhérents par rapport aux autres systèmes. Avec une solution d'entraînement par engrenages, le moteur électrique, le réducteur et l'accouplement sont reliés mécaniquement à l'arbre entraîné, ce qui nécessite souvent un espace considérable autour de la machine. Un entraînement direct est beaucoup plus compact. Il est tout aussi important que près de 97 % de la pleine puissance du système HDD soit appliquée directement pour faire tourner l'arbre entraîné. Une solution d'entraînement à engrenages générera également un couple supplémentaire élevé en cas de changements de vitesse soudains causés par de fortes charges de choc. Le fait de ne pas les compenser peut entraîner des coûts considérables dus aux pannes et aux temps d'arrêt qui en résultent. Un entraînement direct élimine ce risque.

Cela peut aider à préserver l'équipement qui peut subir des chocs violents pendant les opérations normales. Par exemple, de nombreux convoyeurs miniers utilisent des lecteurs ACD pour déplacer des tonnes de matériaux tout au long de leurs processus. Lorsque ces types d'entraînements démarrent, l'inertie de démarrage est immédiatement appliquée à la courroie, ce qui, avec le temps, peut tendre la courroie et entraîner des pannes.

En revanche, un disque dur fournira le couple complet à vitesse nulle dès le démarrage. Cela permet aux opérateurs miniers d'augmenter lentement la vitesse d'un tr/min à des incréments très serrés afin que la bande ne soit pas tendue tout en transportant efficacement le matériau.

La conception simple et robuste des moteurs hydrauliques leur permet également de démarrer, de s'arrêter et de reculer à plusieurs reprises sans solliciter les cames intérieures et les autres éléments du moteur. Cela permet à un opérateur de concevoir les séquences de mouvement pour s'adapter à la charge ou aux exigences de travail de la machine que le disque dur entraîne, s'arrête et démarre autant de fois que nécessaire. Avec un ACD ou un HMD qui utilise un réducteur de vitesse, pour effectuer le même nombre de démarrages et d'arrêts, la boîte de vitesses devrait être surdimensionnée pour gérer ces conditions sans user rapidement l'entraînement - et le surdimensionnement d'une boîte de vitesses peut être une solution coûteuse.

Les systèmes HDD offrent également un contrôle supérieur de la vitesse et de la direction par rapport aux solutions d'entraînement à couple de boîte de vitesses. Étant donné que le débit variable d'huile de la pompe détermine la vitesse et la direction de l'entraînement, la vitesse et le contrôle directionnel ne sont pas compromis par les limitations du moteur électrique. Et grâce au faible moment d'inertie du moteur hydraulique, la réponse est quasi instantanée.

Outre la résistance aux chocs inhérente à la technologie, la technologie HDD offre également une protection contre les surcharges pour protéger les machines et garantir une disponibilité maximale. Les disques durs offrent une fonction de limitation de pression réglable, qui empêche le dépassement du couple maximal dans des conditions de surcharge. Le couple maximal est empêché d'être dépassé en détruisant la pompe si nécessaire pendant de longs cycles d'accélération et dans des conditions de surcharge.

Cela offre une plus grande flexibilité, permettant à l'opérateur de répondre à différentes exigences de production ou d'exploitation. Par exemple, un recycleur peut un jour déchiqueter du plastique sur une déchiqueteuse et choisir de réduire la pression maximale du disque dur pour ce processus. Cette même machine pourrait être utilisée quelques jours plus tard pour déchiqueter du métal ; dans ce cas, sachant que plus de couple sera nécessaire, il s'agit d'un simple changement de commande pour augmenter la pression maximale admissible sans surcharger l'entraînement.

Il existe plusieurs manières pour les utilisateurs finaux d'équipements lourds d'implémenter des systèmes HDD dans leurs opérations. Certains fournisseurs de moteurs hydrauliques peuvent fournir le moteur qui se monte sur l'arbre d'entraînement ; il appartiendrait alors à l'utilisateur final ou à un intégrateur de système hydraulique d'obtenir l'entraînement à vitesse variable, la pompe hydraulique, le contrôleur et les autres composants d'entraînement et de programmer le système pour le démarrage.

Certains fournisseurs d'hydraulique proposent des solutions complètes dans des packages clés en main. Certains fournisseurs fournissent également des recommandations d'experts, une assistance à l'installation et des services de réparation efficaces. Le partenariat avec un fournisseur expert permet de s'assurer que le bon ensemble de disques est conçu et installé sur chaque pièce d'équipement à usage intensif pour offrir tous les avantages de la technologie HDD pendant tout le cycle de vie du système.

Cet article a été rédigé par Brian Howell, directeur des ventes et des opérations des grands entraînements hydrauliques, Bosch Rexroth (Bethlehem, PA). Pour plus d'informations, rendez-vous ici.

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro d'octobre 2022 de Motion Design Magazine.

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