Les treuils à entraînement hydraulique sécurisé entrent en scène

Les treuils haute performance présentent un risque de sécurité : le sous-dimensionnement des études mécaniques peut maintenant être mesuré. Les mesures réelles sur des systèmes installés confirment des charges bien plus élevées que celles supposées.

Il a déjà été démontré, sur des installations d’essai, qu’un arrêt d’urgence à grande vitesse, avec des charges élevées, peut générer des forces dépassant de loin la charge nominale multipliée par deux. Les mesures récentes, effectuées sur des entraînements réels de machinerie supérieure dans des théâtres allemands, le confirment. Si les composants mécaniques ne sont pas conçus pour ces pics de charge, les risques de sécurité sont importants.

Ces dernières années, en matière de sécurité, l’attention s’est concentrée sur la nouvelle directive Machines. La nouvelle approche probabiliste et la sécurité fonctionnelle obtenue par logiciel ont presque toujours été le point de mire.

Toutefois, la norme DIN 56950-1:2012-05, révisée il y a cinq ans, réagissait déjà à la tendance portant vers des entraînements de treuil plus puissants, levant des charges de plus en plus lourdes à des vitesses croissantes.

Dans sa nouvelle version, cette norme spécifie que tous les éléments situés dans le flux de force, dans le périmètre du système des machines, doivent être conçus de manière à supporter la charge accidentelle ou au moins deux fois la charge nominale. Le danger de charges accidentelles sensiblement plus élevées y est explicitement signalé pour la première fois.

Dépassement de 75 % de la charge nominale multipliée par deux

Ces dernières années, les spécialistes de l’entraînement et de la commande d’un fabricant ont mesuré systématiquement les forces réelles agissant sur la conception en cas d’arrêt d’urgence brutal d’entraînements extrêmement dynamiques, pendant des essais complets au banc et dans deux théâtres.

Résultat : en cas d’arrêt d’urgence de catégorie zéro, les valeurs dépassaient jusqu’à 75 % la charge nominale multipliée par deux. La catégorie zéro s’applique lorsque la liaison entre le moteur et le convertisseur de fréquence casse brutalement et que le moteur électrique ne peut plus freiner. Une autre norme en vigueur, la DIN EN ISO 13849-2:2013-02, montre clairement que ces scénarios ne peuvent pas être évités de manière fiable par des mesures techniques dans le cas de matériel non redondant, par exemple, les convertisseurs de fréquence.

La directive Machines exige expressément l’utilisation de la technologie de pointe pour la conception de l’équipement de sécurité et des systèmes importants pour la sécurité. Au sujet de la charge mécanique en cas d’arrêt d’urgence, les nouveaux résultats de mesure ont étoffé les connaissances sur la conception des treuils hydrauliques scéniques et par conséquent, modifié l’état de la technologie.

Grâce aux essais au banc, on savait depuis quelque temps que pendant les arrêts d’urgence brutaux, la charge nominale était bien supérieure à 200 % de sa valeur ordinaire. Pendant longtemps, les gens ont souligné l’absence de données réelles provenant de systèmes installés. Cet argument, déjà affaibli par la directive Machine, n’est plus valable.

Les mesures effectuées sur deux machineries supérieures de théâtre pendant des arrêts d’urgence ont fourni des résultats alarmants. L’habituelle limite assignée, égale à deux fois la charge nominale, était déjà dépassée à la moitié de la vitesse nominale et le dépassement était si flagrant que, pour des raisons de sécurité, les ingénieurs ont renoncé à effectuer les essais à pleine vitesse.

Si ces données n’ont pas été recueillies plus tôt, c’est parce qu’il fallait d’abord développer des appareils de mesure portatifs et intelligents, en l’occurrence le « Stage Guard », fixé à la charge du treuil hydraulique. Le cœur du Stage Guard est un capteur d’accélération extrêmement sensible, qui transmet sans fil les valeurs relevées. À partir de ces valeurs, un logiciel validé calcule les facteurs déterminants que sont la force, la vitesse, la trajectoire et l’impact.

Risque de chute à cause d’une rupture fragile

Le Stage Guard est déjà utilisé dans un théâtre allemand, sur le treuil d’une machine ayant une charge nominale de 600 kg et une vitesse nominale de 1,2 m/s. Lors des essais initiaux, une charge de 600 kg a été attachée et des essais d’arrêt d’urgence de catégorie 0 ont été déclenchés pendant le mouvement « d’abaissement ». Même à la moitié de la vitesse nominale, la charge a dépassé la limite assignée. Pendant les tests de freinage ou le mouvement de « levage », des charges encore plus élevées pourraient se manifester. Aucun essai correspondant n’a cependant été effectué, pour des motifs de sécurité. Ce n’est qu’après avoir réduit de 25 % la charge, qui ne pesait plus que 450 kg), que le treuil a pu être arrêté à la vitesse nominale dans la limite assignée à un arrêt d’urgence. Il apparaît donc que les treuils représentent un danger pour les personnes qui travaillent sur scène sous les charges suspendues.

Même si l’équipement supporte un arrêt d’urgence de ce type plus d’une fois sans dégât visible, les matériaux peuvent durcir et subir des modifications structurelles qui les fragilisent, susceptibles d’entraîner une soudaine fracture fragile et la chute de la charge.

Installation d’un limiteur de charge sur les treuils hydrauliques

Cette charge considérablement plus élevée concerne les treuils hydrauliques à forte dynamique et grande vitesse qui ont eu le vent en poupe ces dernières années. Tous les autres treuils peuvent également présenter une faiblesse mécanique d’origine, en particulier si les calculs se sont appuyés sur des facteurs dynamiques trop faibles ou ne les ont pas pris en compte. Les établissements responsables devraient en règle générale remettre en question les hypothèses de charge.

Dans l’immédiat, une seule possibilité s’offre à eux pour atténuer les risques : ne plus exploiter les treuils au maximum de leur charge et de leur vitesse nominales et effectuer des mesures pour avoir une vue d’ensemble des forces en action. Les résultats de mesure permettent ensuite de calculer les charges et les vitesses qui ne présentent pas de danger.

Pour continuer à utiliser les machines selon les paramètres de déplacement prévus à l’origine, il faudrait repenser certains composants et dans certains cas, les renforcer ou les remplacer. L’autre option consiste à équiper le treuil d’un limiteur de charge, une unité autonome d’amortissement hydraulique.

En cas d’arrêt d’urgence, cette unité plafonne l’accélération à 2 g et la charge à deux fois la charge nominale. Bien qu’il n’existe actuellement aucune option pour les systèmes à entraînement électrique, des solutions hydrauliques peuvent facilement être installées en rattrapage pour lisser les courbes de freinage, même en cas d’arrêt d’urgence, et réduire considérablement la charge mécanique dès le départ.

Une autre solution consiste à remplacer les circuits de logique passive habituellement employés par de nouvelles vannes à logique active, ce qui permet de réduire bien plus souplement la vitesse, en raison d’un freinage réglable. Grâce à un système supplémentaire de surveillance numérique, ces vannes peuvent également accueillir des circuits de sécurité ayant passé l’examen de type. Individuellement ou de manière redondante, elles permettent une surveillance de la position ouverte ou fermée. Elles empêchent les charges brutales en cas d’arrêt d’urgence et protègent de ce fait la mécanique.

Résumé

La simple réussite d’une épreuve de charge dans une zone scénique délimitée par un cordon de sécurité ne peut plus être un critère d’évaluation suffisant de la conformité d’une machine. Les ingénieurs et spécialistes ont besoin de données de charge réelles provenant d’arrêts d’urgence de catégorie 0.

Les séries de mesure correspondantes devraient être réalisées à l’aide d’un Stage Guard, désormais disponible dans le commerce. Les charges et vitesses pouvant être arrêtées en toute sécurité peuvent ainsi être déterminées et utilisées jusqu’à ce que la mécanique soit modifiée ou que les treuils hydrauliques aient été équipés en rattrapage.