Système de levage synchronisé pour inclinaison précise des canaux de recherche

Comment des systèmes de levage sophistiqués et automatisés améliorent les canaux d’écoulement

Philipp Schmalzhaf

par Philipp Schmalzhaf, Directeur commercial

Canaux de recherche

Le défi de la gestion de l’eau

De la protection contre les inondations à la préservation des ressources, l’eau constitue l’un des plus grands défis écologiques de notre époque. Les canaux inclinables servent de plus en plus aux ingénieurs comme outil essentiel dans la recherche hydraulique et sédimentologique. Les derniers produits d’Armfield offrent, grâce à un système de levage automatisé de Drives Lines Technologies Ltd, la plus grande polyvalence.

Depuis toujours, l’homme intervient dans le cours naturel et le comportement des rivières afin de gérer les ressources en eau, de se protéger contre les inondations ou de faciliter la circulation le long ou au-dessus des rivières. Aujourd’hui, l’ingénierie fluviale est un domaine de recherche important, les ingénieurs cherchant à comprendre la dynamique des écoulements, le transport sédimentaire et l’érosion sous-marine.

Le rôle des canaux inclinables dans la recherche

De nombreux domaines d’étude nécessitent ou bénéficient de l’utilisation de canaux (voies d’eau ouvertes à longueur fixe) inclinables, offrant une pente positive ou négative. Armfield, basé à Ringwood près de Southampton, conçoit et fournit depuis plus de 50 ans des canaux pour laboratoires hydrauliques dans le monde entier. Aujourd’hui, l’entreprise propose une gamme complète de canaux de recherche standard de différentes longueurs, avec plusieurs modes de fonctionnement et dotés d’un contrôle informatique complet et de fonctions d’enregistrement des données.

Typiquement, ces canaux présentent un canal de flux en verre bien visible, construit dans une section prismatique rectangulaire avec un lit en acier inoxydable.

Atteindre la précision avec des vérins à vis

L’aspect le plus important d’un canal inclinable est de maintenir l’intégrité de la section de travail afin de conserver les tolérances et d’assurer à la fois précision et répétabilité. Pour y parvenir, une construction extrêmement rigide est nécessaire pour éliminer presque toute déformation, indépendamment de la charge ou de l’inclinaison. La conception du système d’inclinaison est essentielle pour garantir cette stabilité.

Armfield recommande pour ses canaux des vérins à vis entraînés par des réducteurs à vis sans fin, afin d’atteindre le meilleur niveau de répétabilité et de stabilité compte tenu de la taille et du poids de l’installation. Pour les canaux longs, une série de stations de levage est installée à différents points le long du canal. Celles-ci doivent être soigneusement reliées entre elles pour éviter toute déformation du cadre principal. De plus, pour ces longs canaux et particulièrement pour les angles d’inclinaison exceptionnels, un mécanisme de rotation à chaque station garantit en permanence un alignement vertical avec les vérins.

Armfield a fait appel à Drive Lines pour fournir la fonction de levage critique de son nouveau canal inclinable modulaire S60, d’une longueur allant jusqu’à 30 m. En tant qu’expert des systèmes d’entraînement mécaniques, Drive Lines représente des fabricants de transmissions mécaniques de premier plan dans le monde entier et assemble ces composants pour offrir des solutions fiables, polyvalentes et économiques.

Verin a vis avec soufflet

Vérin à vis protégé par un soufflet

Exigences complexes pour le canal de 15 m

Les exigences pour la version de 15 m du nouveau canal étaient les plus ambitieuses et nécessitaient trois stations de levage à vis reliées par un entraînement mécanique. Le système devait permettre une inclinaison positive allant jusqu’à 1,43° et une inclinaison négative jusqu’à 0,29°, tout en maintenant une stabilité de la semelle meilleure que 1 mm pour une profondeur d’eau de 400 mm.

Le canal S60 de 15 m possède un point de rotation à une extrémité, ce qui signifie que pour atteindre l’inclinaison maximale, l’autre extrémité doit être relevée de 450 mm. Le système de levage fourni par Drive Lines comprend trois stations de levage : la première à 5 m du point de rotation, la deuxième à 10 m et la troisième à 15 m. Comme la section de travail du canal mesure 800 mm de hauteur et 600 mm de largeur, le remplissage jusqu’à la profondeur maximale autorisée entraîne une charge maximale de 4 tonnes sur chaque station de levage.

Assurer un levage uniforme

Pour les ingénieurs de Drive Lines, le plus grand défi a été de sélectionner avec précision les rapports de réducteurs à vis conique et la vitesse du moteur, afin d’assurer un levage uniforme du canal à chaque station. À la première et à la deuxième station, Drive Lines a installé deux vérins à vis MJ3-GL à chaque point, tandis que la troisième station utilise deux vérins à vis MJ4-GL. Les vérins à vis cubiques de la série MJ, fabriqués par GROB Antriebstechnik, sont idéaux partout où un levage, un abaissement et un basculement contrôlés sont nécessaires. Ils peuvent être installés individuellement, par paires ou dans un système à levage multiple.

Un moteur de 1,1 kW, couplé à un réducteur Graessner PowerGear P-110-FL à trois voies, est positionné entre la deuxième et la troisième station de levage, la puissance étant transmise à chacune des trois stations via des arbres de transmission R+W EZ2/60. Chaque arbre entraîne à son tour un réducteur Graessner PowerGear P-110-L-123 à chaque station, l’entraînement des vérins doubles étant assuré par d’autres arbres R+W EZ2/60.

Les réducteurs coniques PowerGear robustes, fiables et sans entretien de Graessner assurent la transmission du couple angulaire et la répartition du couple dans des configurations à une ou plusieurs arbres. Ils sont parfaits pour des applications nécessitant des couples élevés dans un espace limité.

Commande automatisée et fins de course

L’interface automatisée du système de levage permet à l’utilisateur d’entrer chaque valeur cible d’inclinaison, qui est automatiquement atteinte par le système. Des fins de course électroniques empêchent tout mouvement au-delà des limites maximales et minimales.

Le canal inclinable S60 entièrement autonome est un outil indispensable pour les ingénieurs hydrauliques, offrant des possibilités complètes de démonstration de tous les aspects de l’écoulement en canal ouvert. Équipé du système de levage Drive Lines pour un contrôle électrique complet de l’inclinaison, de nombreux canaux S60 ont déjà été installés dans des établissements éducatifs et de recherche à travers le monde, offrant aux ingénieurs les outils nécessaires pour relever certaines des défis écologiques les plus urgents de notre époque.

Questions fréquentes sur le vérin à vis

Un vérin à vis est la combinaison d’une vis et d’un écrou (écrou à vis sans fin ou écrou mobile), qui transforme un mouvement de rotation en mouvement linéaire grâce à un engrenage à vis sans fin.

Le terme « blocage de course » décrit l’exécution d’un mouvement de levage contre une butée fixe. L’élément de levage est alors « bloqué » par l’élément fixe correspondant.

Version de base : la vis effectue elle-même le mouvement axial.

Version à écrou mobile : la vis reste toujours fixe dans l’espace mais tourne. L’écrou se déplace alors le long de la vis vers le haut ou vers le bas.

  1. Cubique et Classique : différences principalement esthétiques. C’est une question de philosophie : ce qui plaît le plus à chacun. Les performances sont quasiment identiques.
  2. HMC : standard jusqu’à 3000 tr/min à l’entrée, avec remplissage d’huile et ailettes de refroidissement – capacité de charge dynamique explicitement plus élevée.
  3. KH : dynamique particulièrement élevée, mais la capacité de charge maximale descend à 90 kN.

La charge nominale indiquée par le fabricant ne doit pas être dépassée. Néanmoins, les réducteurs de levage intègrent des facteurs de sécurité de 1,5 à 2,5 par rapport à la charge nominale.

L’écrou de sécurité SFM suit normalement l’écrou porteur sans charge. Si l’écrou porteur se casse, le SFM reprend la charge. Il permet alors encore un mouvement de levage pour mettre l’installation à l’arrêt. L’écrou SFM est également utilisé comme écrou de référence pour mesurer l’usure.

La mention « 20 % de cycle de service par heure » doit toujours être considérée en relation avec une certaine puissance absorbée par le réducteur. Si la puissance admissible n’est pas dépassée, moins de chaleur est générée et le réducteur nécessite moins de temps pour refroidir. Il est donc possible d’atteindre un cycle de service supérieur à 20 %.

Oui, les réducteurs à vis peuvent être entièrement fabriqués en acier inoxydable et lubrifiés avec une graisse conforme à la norme H1 pour le contact alimentaire.

Le boîtier est en aluminium moulé sous pression ou en fonte grise, la vis, le tube de protection et la vis sans fin sont en acier, et la roue sans fin ou l’écrou mobile est en alliage de bronze. De plus, de nombreuses variantes existent.

Elle empêche la vis de tourner. Si une vis de translation effectuait un mouvement de rotation, aucun mouvement linéaire ne serait possible.

Oui, grâce aux brides moteur, il est possible de monter de manière flexible des moteurs ou des motoréducteurs. Vous décidez si vous fournissez le moteur vous-même ou si GROB s’en charge.

Oui. Un vérin à vis peut être actionné par n’importe quel type d’entraînement rotatif, qu’il soit électrique, mécanique ou manuel.

En cas de charge en compression, le facteur limitant est généralement le flambage.

En cas de charge en traction, il s’agit soit de la disponibilité du matériau brut (barres couramment disponibles jusqu’à 6 m), soit de la vitesse critique de flexion (dans le cas d’une version à écrou mobile).

Pour des courses plus longues, la vis peut également être conçue en plusieurs parties.

La confusion vient parfois du fait que, dans les deux cas, un élément supplémentaire est placé à l’arrière de la vis.

  1. Le dispositif anti-dévissage n’est qu’un anneau sur le filetage qui empêche la vis de sortir.
  2. Le dispositif anti-rotation empêche en plus la vis de tourner.

Côté client : le client supporte la charge, ce qui empêche la vis de tourner. Si la vis est fixée à la charge, celle-ci ne peut pas non plus tourner.

Côté réducteur (produit avec dispositif anti-rotation intégré) : on utilise soit une rainure traversant complètement la vis avec une clavette comme contre-partie, soit, en alternative, un bloc carré vissé à l’arrière de la vis, et le tube de protection est alors réalisé en forme carrée.

La vitesse d’un moteur asynchrone triphasé dépend de la fréquence du réseau électrique : plus la fréquence est élevée, plus le moteur tourne vite.

La vitesse nominale à 50 Hz est :

  1. moteur 2 pôles : 3000 tr/min
  2. moteur 4 pôles : 1500 tr/min
  3. moteur 6 pôles : 1000 tr/min
  4. moteur 8 pôles : 750 tr/min

Cela dépend du cycle de fonctionnement et des conditions d’exploitation. En général, tous les 500 courses doubles.

0 à MAX mm. Des incréments au millimètre près peuvent être réalisés.

Lubrification par graisse dans le réducteur : jusqu’à 1500 tr/min ; au-delà de 1500 tr/min et jusqu’à 3000 tr/min, graisse fluide ou lubrification à l’huile.

Il est possible de monter des interrupteurs de fin de course mécaniques, magnétiques ou inductifs. Une préparation pour vos propres capteurs est également possible. Veuillez noter qu’il n’est pas possible d’implémenter une coupure en fin de course sur les vérins à vis en version à écrou mobile.

Une vue d’ensemble détaillée se trouve au début de chaque chapitre sur les vérins à vis dans notre catalogue. Voici un exemple pour les vérins à vis cubiques :

Gesamtkatalog 2023 (grob-antriebstechnik.de)

Pour les vérins à vis lubrifiés à la graisse, la position d’installation peut être choisie librement. Pour les vérins à vis lubrifiés à l’huile, l’orientation de la ventilation doit être respectée.

Plus la vis est épaisse, plus le dispositif anti-rotation par rainure et clavette devient complexe. Règle générale : pour une vis jusqu’à 40 mm, un dispositif anti-rotation par rainure et clavette est judicieux ; à partir de 55 mm, il vaut mieux opter pour un dispositif avec tube carré et bloc carré.

C’est possible à court terme, mais cela entraîne une diminution de la durée de vie supérieure à la normale.

  1. Les réducteurs standard avec vis trapézoïdale standard atteignent un rendement de 25 à 35 %.
  2. En augmentant le pas, le filetage glisse plus facilement, ce qui améliore le rendement.
  3. La combinaison avec une vis à billes peut permettre d’atteindre un rendement allant jusqu’à 50 %.
  4. La meilleure combinaison : vérin à vis à roue conique avec vis à billes, ce qui permet d’atteindre plus de 80 %.

Oui, pour les vérins à vis équipés de vis à billes ou à rouleaux, il est possible de calculer la durée de vie. Pour les vis trapézoïdales, aucun calcul de durée de vie n’est possible.

La puissance requise dépend de la charge et de la vitesse de levage. Il est recommandé de prévoir une marge de 30 % par rapport à la puissance nécessaire pour l’entraînement. Le vérin à vis doit être utilisé dans les limites maximales indiquées, qui dépendent de la version et de la taille. Voici, à titre d’exemple, les limites de puissance pour les vérins à vis cubiques : Gesamtkatalog 2023 (grob-antriebstechnik.de)

L’utilisation de vis à billes est judicieuse lorsque :

  1. la puissance absorbée est trop élevée avec des vis trapézoïdales,
  2. une vitesse de levage plus élevée est souhaitée,
  3. une précision plus grande est requise.

Le jeu axial d’une vis trapézoïdale est généralement compris entre 0,1 et 0,3 mm. Lorsque le jeu axial atteint ¼ du profil trapézoïdal, il est recommandé de remplacer l’écrou trapézoïdal.

Même si les forces latérales réduisent fortement la durée de vie des vérins à vis, il est possible d’en absorber dans certaines limites. Vous trouverez ici une base correspondante : Gesamtkatalog 2023 (grob-antriebstechnik.de)

La vis fixe effectue un mouvement relatif grâce à la rotation de la roue sans fin, tandis que la vis tournante crée un mouvement relatif pour l’écrou mobile. Les avantages et inconvénients dépendent de l’espace disponible dans votre système de levage.

Oui, chaque taille (indépendamment du type de vérin à vis) offre deux niveaux de réduction (→ normal et lent). L’exception concerne les vérins à vis à roue conique : ici, les démultiplications possibles sont 1:1, 2:1 et 3:1.

La rallonge de vis définit une longueur supplémentaire par rapport à la version standard lorsque le vérin est en position rentrée.

Exemple : vous avez besoin d’un mouvement effectif de 100 mm, mais il faut franchir 400 mm entre le point de départ et le réducteur. Dans ce cas, nous prolongeons la vis de 400 mm, ce qui donne une longueur totale de 500 mm en position sortie.

Des codeurs peuvent être montés sur le moteur ou sur la vis sans fin pour une surveillance permanente.

Si seule la position des fins de course est importante, des interrupteurs de fin de course peuvent détecter les positions souhaitées.

Dans les vérins de levage, nous utilisons également souvent des potentiomètres, qui renvoient une certaine valeur de résistance pouvant être lue par le système de commande.

Oui, la protection correspondante peut être assurée par une peinture ou par l'utilisation de matériaux inoxydables.

Oui, la fonction de levage et de déplacement peut être assurée par tout élément de levage mécanique.

Cette exécution utilise un tube supplémentaire monté sur l’écrou mobile pour protéger la vis. L’exécution à tube de poussée désigne ainsi un vérin de levage modifié sur la base d’un vérin à vis.

Graisse de classe NLGI 1 ou 2, adaptée aux paliers lisses et roulants fortement sollicités. Il faut veiller à la compatibilité avec le lubrifiant déjà en place. L’élément déterminant est de savoir si la graisse est fabriquée sur une base minérale ou synthétique.

La quantité de lubrifiant dépend de la taille et du type de vérin à vis. Vous trouverez les données correspondantes dans notre catalogue complet. Voici, à titre d’exemple, celles pour nos vérins à vis cubiques :

Gesamtkatalog 2023 (grob-antriebstechnik.de)

Dans les applications avec des exigences de sécurité élevées, deux mécanismes de maintien indépendants peuvent être nécessaires. Il peut s’agir d’un auto-blocage dynamique combiné à un frein moteur, ou bien d’un double frein indépendant commandé sur le moteur triphasé.

La vis peut être protégée par un soufflet ou un ressort hélicoïdal.

Oui. Les tensions courantes sont 24 V CC, 230 V CA et 400 V CA. D’autres tensions en courant continu ou alternatif sont disponibles sur demande.

La marge de sécurité peut être augmentée ou réduite. En cas de réduction, il faut veiller lors de l’utilisation de l’installation qu’un blocage de course soit dans tous les cas exclu.

Pour l’extrémité de la vis, le programme standard propose les options suivantes : extrémité filetée, tête articulée, tête à rotule, plaque de bride, plaque de bride avec palier, tenon. Les dimensions correspondantes se trouvent dans Gesamtkatalog 2023 (grob-antriebstechnik.de)

Un dispositif anti-dévissage (AS) empêche la vis de levage de tomber accidentellement dans une version de base. Il ne sert pas de butée mécanique !

  1. Pont électronique : si chaque élément de levage de l’installation est entraîné par un moteur, un pont électronique peut être réalisé à l’aide de codeurs.
  2. Éléments de liaison mécaniques : plus sûrs et moins coûteux, les arbres de liaison et les boîtes de distribution peuvent connecter tous les éléments de levage d’une installation entre eux.

Oui, l’utilisation de matériaux inox est une pratique courante pour les environnements exposés à des milieux agressifs.

L’élément moteur, généralement un moteur triphasé, ne s’arrête pas automatiquement et doit recevoir un signal pour se couper. Ce signal peut être généré par des interrupteurs de fin de course, des codeurs, des potentiomètres ou d’autres composants de suivi de déplacement.

Les entraînements mécaniques réagissent très fortement à un mouvement contre une butée fixe. Selon la puissance du moteur, un blocage de course entraîne le plus souvent des dommages au système vis-écrou.

Les points suivants nécessitent impérativement une version lubrifiée à l’huile :

  1. Utilisation en zone à risque d’explosion avec gaz. Un questionnaire ATEX est alors obligatoire.
  2. Vitesse d’entrée de la vis sans fin de 1500 tr/min à 3000 tr/min.

Oui, les vérins à vis et les cylindres MINI peuvent également être utilisés dans certaines limites en zones ATEX.

Questionnaire ATEX | GROB GmbH Antriebstechnik chevron_right

Pour la version à écrou mobile, seules les dimensions de fixation de l’écrou changent.

Pour la version de base avec vis à billes, il peut arriver que le couvercle de palier soit surélevé afin d’accueillir l’écrou à billes dans le réducteur.

Oui, les vis filetées peuvent également être fabriquées en acier inoxydable.

La question n’est pas incluse ?

Vous trouverez ici d’autres exemples d’applications

Faites-nous part de votre application ! Nous vous contacterons immédiatement.

Appelez-nous :

Ou écrivez-nous :

Philipp Schmalzhaf

Philipp Schmalzhaf, Directeur commercial