De la vapeur au intelligent :l'évolution de l'hydraulique des équipements de construction

Les machines mobiles modernes ont beaucoup changé. Voici un aperçu de l'évolution de l'hydraulique des équipements de construction au cours des deux cents dernières années.

Par Josh Cosford, rédacteur en chef

Sur une route près de chez moi, il existe une clôture en pierre posée à la main, d'environ 4 pieds de haut et cent fois plus longue. Fabriqué à partir de roches d'origine locale il y a un siècle, je suis impressionné par sa longueur en imaginant les ressources physiques et temporelles utilisées dans sa construction. Les machines permettant d'excaver, de transporter et de déposer des matériaux lourds étaient rares dans les années 1800, je ne peux donc pas imaginer qu'elles aient été construites en utilisant autre chose que de nombreuses mains fortes.

L’industrie de la construction est aussi ancienne que l’agriculture, et à mesure que les besoins sociétaux se sont accrus, la nécessité d’améliorer la construction s’est également accrue. La révolution industrielle a accru de façon exponentielle notre capacité à construire des bâtiments et des infrastructures. Des techniques de construction légères et modérées ont construit nos maisons et nos bureaux, tandis que des constructions lourdes et intenses ont construit les usines et les routes pour y arriver. La clôture en pierre posée à la main était évidemment un projet de construction léger, mais c'est la construction lourde et intense si bien adaptée à la motivation hydraulique qui a été importante pour la civilisation.

La construction moderne prend de l'ampleur

Une pelle à vapeur d'époque, utilisée dans la construction de lignes ferroviaires. Image gracieuseté de istockphoto.com

La puissance de la vapeur est une forme de transfert d’énergie fluidique, mais au lieu d’air sous pression ou de fluide hydraulique, de l’énergie thermique est ajoutée à l’eau jusqu’à ce qu’elle se transforme en forme gazeuse. Cette transformation crée une pression à mesure que le volume de gaz augmente, qui a été capturée dans les actionneurs pour alimenter les grosses machines. Cette technologie collectait de la vapeur, pour ainsi dire, au début du 19e siècle, mais les archives montrent que dès 1796, une drague à vapeur était utilisée pour nettoyer le lit des cours d'eau en Angleterre.

En 1835, William Otis, cousin de l'industriel américain Elisha Otis, célèbre pour ses ascenseurs, utilisa l'énergie de la vapeur pour créer une excavatrice à godet unique. Reconnue comme la première machine terrestre automotrice utilisée pour la construction lourde, elle a révolutionné la construction de lignes ferroviaires. Cette machine brevetée était capable de déplacer 300 mètres cubes par jour, alors que deux hommes et une brouette pouvaient prolonger cette tâche jusqu'à quinze jours.

Une cinquantaine d’années plus tard, Sir W. G. Armstrong construisit la première excavatrice hydraulique, utilisée pour la construction de quais. Il était propulsé à la vapeur, mais utilisait également des câbles avec un seul actionnement hydraulique sur une seule fonction. Un aparté semi-intéressant :la société d’Armstrong a finalement fusionné avec Vickers Limited, mais malheureusement, après de nombreuses recherches, je n’ai trouvé aucun lien avec les Vickers de renommée hydraulique. Quoi qu’il en soit, la machine d’Armstrong n’a pas très bien fonctionné et a laissé la porte ouverte à d’autres. La première machine à utiliser uniquement des actionneurs hydrauliques à vapeur sans l'aide de roues ni de câbles fut la pelle ferroviaire à vapeur Kilgore de 2 1/2 yards. Cette machine était productive, mais comme la machine Armstrong, elle était limitée à la construction de lignes ferroviaires.

Créer une norme moderne
Il faudra encore près d’un siècle avant que les excavatrices aient l’apparence et fonctionnent comme elles le font aujourd’hui. Pendant la majeure partie de cette période, les excavatrices resteraient actionnées par câble ou seraient un type hybride à vapeur, mécanique, à câble et hydraulique. Demag (maintenant Komatsu) a créé la première pelle à chenilles à 360°, entièrement hydraulique, telle que nous la connaissons aujourd'hui. L'Hydraulikbagger de 1954, figure 1, était propulsé par un moteur diesel à 3 cylindres de 42 chevaux et capable d'atteindre une vitesse de 2,5 mph tout en transportant environ un demi-mètre de matériel. Il était compact, efficace, agile et productif, en particulier pour les projets de construction légers et modérés.

L'Hydraulikbagger de 1954 était une machine compacte idéale pour les projets de construction légers et modérés. Image gracieuseté de la bibliothèque ASCE

Le B504 était si efficace que ses caractéristiques de construction sont désormais la norme dans l'industrie. Une fois que les excavatrices ont été dotées d’un fonctionnement entièrement hydraulique, les équipements de construction étaient capables d’une utilité et d’une productivité auparavant impossibles. Des décennies plus tôt, la domination de la Ford Model T ouvrirait la voie (c’est vrai, j’y suis allé) au développement des autoroutes interétatiques. La B504 tombait à point nommé car le développement du réseau routier inter-États d’Eisenhower a commencé peu de temps après. Je ne prétends pas que les événements étaient liés d'une manière ou d'une autre, mais leur timing a permis à l'industrie de la construction en Amérique de se développer comme jamais auparavant.

Les équipements de construction mobiles ont vu le jour en raison des avantages inhérents à l’hydraulique ; densité de puissance, contrôlabilité et fiabilité. La première étape pour les machines hydrauliques consistait à faire en sorte que tout fonctionne de manière fiable et efficace, mais comme la construction est un secteur compétitif et à faible marge, les progrès ont été rapides et difficiles. La productivité était recherchée, ce qui nécessitait que les pièces du puzzle que sont la puissance, le contrôle et la fiabilité se mettent en place.

Les premières machines étaient en boucle ouverte à pression modérée, composées principalement de pompes à engrenages et à palettes fonctionnant entre 1 000 et 2 500 psi. Même dans les années 1960, lorsque les pelles hydrauliques dominaient leurs homologues à câble, les progrès technologiques étaient lents. Les équipementiers ont vu les avantages de l'hydraulique et ont donc appliqué cette technologie aux chargeuses, aux décapeuses et aux bulldozers, les rendant ainsi puissants et efficaces. Mais dans les années 60, la technologie d'usinage n'était pas en mesure de fournir les tolérances serrées requises pour fabriquer des pompes, des vannes et des actionneurs haute pression.

Des pressions plus élevées, des commandes sophistiquées
À mesure que les connaissances appliquées progressaient, les fabricants ont réalisé que la haute pression était la clé de la productivité – et par « haute pression », j’entends 3 000 psi. Les pompes à piston peuvent produire des pressions élevées avec efficacité, mais elles devaient maîtriser des jeux plus serrés et des coefficients de dilatation différents. Les premières pompes à piston à cylindrée variable utilisaient un plateau cyclique avec levier pour contrôler le débit, offrant ainsi une alternative efficace de contrôle de la vitesse aux vannes doseuses, qui gaspillaient de l'énergie.

Les années 1970 pourraient être considérées comme la décennie de la créativité hydraulique. Pour augmenter le contrôle et la productivité, les ingénieurs inventaient des moyens intelligents de contrôler le système hydraulique. Les premiers entraînements hydrostatiques ont été maîtrisés et appliqués aux chargeuses, leur permettant de passer rapidement et en douceur entre le mouvement avant et arrière. Caterpillar a fait breveter la pompe à pistons axiaux à compensation de pression, et la limitation du couple a également été développée au cours de la décennie du disco.

La limitation du couple (également connue sous le nom de contrôle de la puissance) est une méthode permettant de limiter automatiquement le débit de manière inversement proportionnelle à la pression. À mesure que la pression augmente, le débit diminue et lorsque la pression diminue, le débit augmente. Cette méthode offrait le meilleur des deux mondes, permettant à une excavatrice de se comporter comme si son moteur principal était deux fois supérieur à la puissance nominale. Les fonctions de rotation, de flèche, de bras et de godet pourraient toutes se déplacer rapidement sans charge, mais la pompe réduirait alors le débit à mesure que la pression augmente, fournissant ainsi la force nécessaire aux travaux lourds.

Dans les années 1980, l’exploitation du câble avait presque disparu dans le secteur de la construction. L'hydraulique était si efficace que même les fonctions de commande étaient pilotées hydrauliquement, ce qui était une technologie plus ancienne. Les freins, la direction et les fonctions de la machine pouvaient être commandés depuis la cabine à l'aide de vannes pilotes. Essayez d'expliquer à votre adolescent qu'un joystick était autrefois traversé par de l'huile, et que la distance et la vigueur avec lesquelles le joystick se déplaçait pousseraient le fluide vers les tiroirs des valves de commande directionnelles avec le même effort.

Découvrez la détection de charge
Cependant, la prolifération de la technologie de détection de charge dans les années 1980 a libéré de la puissance et, en combinaison avec l'amélioration des tolérances d'usinage, la pression (et donc la densité de puissance) a rapidement augmenté. La détection de charge permet à la pompe hydraulique de fournir le débit et la pression exacts requis par les actionneurs, en ajoutant seulement un peu d'énergie supplémentaire pour créer une chute de pression. Il n’était pas rare de voir désormais une norme de 4 000 psi pour les fonctions de l’outil et plus de 5 000 psi pour le circuit de déplacement. Avec la détection de charge, une pression de 5 000 psi ne paralyse pas le débit lorsque vous êtes limité en puissance d'entrée.

Même si les engins de chantier mobiles disposaient des systèmes hydrauliques les plus avancés qui soient, ils étaient loin d'être à la hauteur en matière de commande électronique. Même la commande électrique n’était pas une méthode fiable pour faire fonctionner des pompes ou des vannes. Les années 1990 n’ont pas vu beaucoup de progrès en matière d’équipement de construction, en particulier dans la manière dont le système hydraulique était contrôlé. La surveillance numérique des machines existait, mais l'essentiel de la technologie était fourni pour le confort de l'opérateur :climatisation, systèmes stéréo et chargeurs 12 V.

L'avènement des commandes électroniques
Le tournant du siècle a vu les constructeurs de machines se lancer dans le progrès. Les normes d’émissions Tier 4 imminentes ont obligé les constructeurs à repenser la conception et la mise en œuvre des engins de construction. Les fonctions de la machine étaient de plus en plus contrôlées électroniquement, où les joysticks hydrauliques étaient remplacés par une commande proportionnelle, les cabines étaient équipées d'écrans numériques LCD et les intervalles d'entretien de la machine étaient surveillés électroniquement. Cependant, la pression n'avait pas augmenté depuis trois décennies, restant dans la plage de 5 000 psi jusqu'à la fin des années 2000.

Le bouteur sur chenilles 21050K, lancé par John Deere en 2015, était un tout nouveau modèle, car il s'agissait du bouteur le plus grand et le plus puissant à ce jour.

L'électronique est désormais prolifique dans le secteur de la construction. Tout comme votre voiture, votre pelle dispose de modes de performances programmables. Vous pouvez fonctionner en mode « éco » ou, en ajustant une molette pratique, passer en mode haute puissance. La navigation GPS, la compensation automatique de pente, l'antipatinage et les systèmes de transmission hybrides font leur apparition dans les engins de construction modernes.

Le bouteur sur chenilles, illustré en photo, est une machine aux avancées technologiques surprenantes. Les modèles haut de gamme sont dotés d'entraînements hydrostatiques à commande individuelle pour les chenilles gauche et droite, eux-mêmes contrôlés électroniquement en boucle fermée. La trajectoire du bulldozer est maintenue en fonction du contrôle de l'opérateur, et le logiciel s'y adapte quels que soient la charge, l'angle de braquage ou la traction. Ils sont disponibles avec des applications logicielles, un enregistrement des données en temps réel et des réponses machine personnalisables. Si un opérateur préfère une réponse rapide et élevée de ses commandes, tandis qu'un autre préfère une méthode de contrôle plus lente et atténuée, les deux peuvent enregistrer leurs préférences de profil utilisateur. La machine ne peut pas être démarrée tant que l'opérateur n'a pas saisi son identifiant, auquel cas le profil est chargé.

La valeur de la densité de puissance n’échappe pas aux fabricants de bulldozers. Les nouvelles machines se rapprochent de 7 000 psi, permettant un couple plus élevé à partir de machines plus petites et plus légères et permettant une économie de carburant améliorée. Des machines plus légères facilitent également le transport vers et depuis les chantiers et offrent l'avantage secondaire d'un compactage réduit du sol.

Que nous réserve l’avenir ?
Alors, quel avenir pour l’hydraulique des engins de chantier ? Il est évident que la pression va continuer à augmenter, permettant aux machines plus petites et plus légères d’atteindre une productivité dont bénéficiaient auparavant uniquement les gros équipements de grande puissance. Des matériaux avancés imprégneront les machines, utilisant à la fois de la fibre de carbone et des métaux imprimés en 3D pour augmenter la résistance tout en réduisant le poids.

Le contrôle numérique avec une saturation accrue des systèmes cyber-physiques deviendra monnaie courante. Une journée de travail à vue sur la construction sera planifiée à partir d'un poste de contrôle informatique, où tout le travail sera effectué à distance avec des machines sans opérateur. De plus, l’électrification continue verra le remplacement des moteurs par des moteurs électriques et des blocs-batteries. À un moment donné, les machines seront entièrement autonomes, où une carte topographique numérisée du territoire sera saisie, et la machine sera informée comment niveler ou excaver pour correspondre au résultat souhaité.

Les environnements industriels utilisent de plus en plus d'actionneurs électriques, évitant complètement l'énergie fluidique. Cependant, les actionneurs électriques ne remplaceront jamais les actionneurs hydrauliques dans les engins de chantier. Je fais cette prédiction audacieuse parce que les cylindres et les moteurs électriques ne pourront jamais être si petits mais si puissants qu’ils remplaceront l’hydraulique. Un moteur à pistons à axe coudé de 100 ch peut tenir dans une boîte à chaussures, et ce, aux niveaux de pression actuels de l'industrie.

Là où je vois l’actionnement électrique se développer, c’est avec la fourniture de puissance. Au lieu d'unités centrales de puissance et de distribution via des réseaux de commande hydrauliques, les actionneurs seront des actionneurs intégrés autonomes. La combinaison servomoteur et pompe sera intégrée au vérin hydraulique, qui comprendra un petit réservoir et un collecteur contenant toutes les commandes hydrauliques. Ces unités seront modulaires, configurables et contrôlées via des réseaux sans fil, tout en fournissant la force élevée qui fait de l'hydraulique le roi.

Les engins de chantier mobiles modernes ont parcouru un long chemin depuis les machines à vapeur de la révolution industrielle. Les progrès continus permettront aux machines de devenir plus productives, efficaces et puissantes, tandis que la réduction du nombre d'opérateurs de machines rendra les chantiers plus sûrs, en particulier à mesure que les robots remplaceront les ouvriers du bâtiment. Mais je doute que je verrai un jour une autre clôture en pierre nouvellement construite par des robots.

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