Évaluation de cinq domaines clés des centrales hydrauliques modernes

Toute usine de fabrication qui utilise des systèmes hydrauliques alimentés par des unités de puissance hydraulique (HPU) conventionnelles à vitesse fixe dispose d'ingénieurs et de personnel qui ne savent que trop bien à quel point les anciennes HPU peuvent être volumineuses, bruyantes et inefficaces. Dans le passé, ces fonctionnalités faisaient simplement partie intégrante de l'environnement de fabrication. Mais maintenant, les progrès de l'ingénierie et de la conception ont conduit à de nouvelles unités de puissance à vitesse variable qui sont plus petites, plus silencieuses et plus efficaces, destinées à être utilisées dans une grande variété d'applications et peuvent remplacer directement les systèmes hydrauliques traditionnels.

Comme d'autres types d'équipements électriques à vitesse variable, les HPU à vitesse variable sont nettement plus économes en énergie que leurs homologues à vitesse fixe. De plus, avec des capteurs intégrés, des diagnostics et des capacités cloud, ils peuvent être facilement connectés à un environnement IoT pour fournir de précieuses données de productivité et de maintenance prédictive. Dans l'ensemble, ces avantages font des groupes hydrauliques modernes une alternative attrayante aux groupes traditionnels en termes d'efficacité énergétique, de besoins de refroidissement réduits, de niveaux de bruit réduits et d'une fiabilité accrue.

Pour les ingénieurs qui spécifient de nouveaux équipements ou sont chargés de mettre à jour ou de remplacer les anciens HPU, les systèmes à vitesse variable offrent des options plus efficaces à considérer avant de choisir où investir.

Lors du remplacement ou de la modernisation d'un HPU, il est conseillé aux ingénieurs de fabrication de prendre en compte certains paramètres clés qui différencient la conception de systèmes hydrauliques modernes des systèmes conventionnels : taille, bruit, efficacité énergétique, connectivité et coût total de possession.

1. Taille : La taille globale d'une HPU est déterminée en grande partie par la taille de son réservoir de fluide hydraulique. Pour les HPU traditionnels, la règle généralement acceptée est de dimensionner le réservoir au minimum à trois à cinq fois le débit maximal de la pompe, pour permettre le dégazage (le temps suffisant pour que l'huile reste dans le réservoir et que les bulles d'air remontent à la surface). Par exemple, pour atteindre un débit maximal de 150 L en utilisant cette ancienne règle, il faut un réservoir d'environ 600 L, qui occupe un espace considérable dans l'empreinte de l'unité.

À l'inverse, certains HPU modernes utilisent des méthodes alternatives de dégazage qui réduisent la quantité requise d'huile de réservoir à un rapport de 1:1. Des conceptions de blocs collecteurs plus efficaces, ainsi que des formes de réservoir optimisées, permettent des réservoirs plus petits. Cette technique améliore les caractéristiques d'écoulement et intègre mieux les fonctions des composants. Le collecteur résultant est plus compact et plus léger qu'un collecteur conventionnel et peut être fabriqué dans une variété de formes pour s'adapter aux espaces restreints.

Ceci est combiné avec un réservoir spécial en forme de "J" qui permet le dégazage passif de toutes les bulles dans l'huile. En conséquence, une unité qui produit un débit maximal de 150 litres par minute n'a besoin que d'une capacité de réservoir de 150 litres, soit 75 % de capacité de réservoir en moins qu'un HPU traditionnel. En termes d'espace au sol de l'usine, cela peut se traduire par une empreinte de 0,5 m2, contre une empreinte typique de 2 m2, et une réduction de 80 % du poids. L'usine de fabrication n'aurait besoin de fournir et de maintenir qu'un quart de la quantité d'huile hydraulique dans cet exemple.

2. Bruit : Par nature, les installations de fabrication sont considérées comme bruyantes et nécessitent généralement un équipement de protection individuelle spécial pour bloquer ce bruit. Mais ce qui est considéré comme une quantité de bruit acceptable n'est pas universellement défini. Dans une usine de fabrication d'acier, par exemple, un groupe hydraulique pourrait fonctionner dans un silence total et ne pas réduire le bruit global sur le sol de l'usine. Mais dans d'autres types d'installations, telles que la fabrication automobile ou le moulage de caoutchouc avec des chaînes de montage et de longues durées de fonctionnement des machines, un fonctionnement silencieux est souhaitable pour maintenir un environnement de travail agréable. Le bruit peut également être un facteur à prendre en compte en raison des vibrations produites par les ondes sonores, qui peuvent également avoir un impact négatif sur les équipements et processus à proximité.

Pour les environnements où la réduction du bruit est importante, l'hydraulique à vitesse variable fait des progrès notables, fonctionnant à environ 10 dB de moins que les HPU conventionnels dans la plage de 7,5 kW à 30 kW. Considérant que chaque tranche de trois décibels équivaut à une double augmentation du volume sonore, cela représente une amélioration significative de la réduction du bruit. La réduction du bruit du système à 75 dB est considérée comme un niveau de conversation, ce qui signifie que deux collègues peuvent se tenir à côté du HPU et communiquer entre eux sans porter de bouchons d'oreille.

Comment cette réduction de bruit est-elle réalisée ? Premièrement, en fonctionnant à des vitesses variables, les unités modernes sont naturellement plus silencieuses, car elles ne demandent pas leur pleine puissance 100 % du temps, mais fournissent uniquement la puissance nécessaire à l'instant. Deuxièmement, les systèmes modernes peuvent être construits avec des matériaux qui atténuent le son et minimisent les vibrations en utilisant des stratégies de conception telles qu'un moteur refroidi par liquide, une disposition compacte des composants, un boîtier unitaire et des tapis insonorisants intégrés qui ne sont pas des caractéristiques des unités d'alimentation conventionnelles. Par exemple, pour éliminer les roulements amortisseurs qui transmettent le bruit au réservoir, Bosch Rexroth a fixé son groupe motopompe CytroBox à une fondation en béton polymère qui absorbe les vibrations.

À retenir : les avancées récentes dans la conception des HPU ont entraîné des niveaux de bruit aussi bas que 75 dB (niveau de conversation), ce qui représente un bond significatif en matière de réduction du bruit.

3. Efficacité énergétique : Un HPU à vitesse fixe fonctionne à 100 % de la vitesse du moteur, 100 % du temps, que l'application l'exige ou non. Toute énergie qui n'est pas utilisée pour effectuer un travail est convertie en chaleur, et le simple fait de faire tourner un moteur et une pompe à 1 800 tr/min sans débit du système nécessite plusieurs kW d'énergie gaspillée. Ce mode de fonctionnement crée de nombreux problèmes ultérieurs, notamment des coûts énergétiques plus élevés et une production de chaleur excessive qui doit être contrôlée à l'aide de refroidissement ou d'autres méthodes de dissipation (nécessitant encore plus d'énergie).

Les systèmes à vitesse variable créent une harmonie en utilisant le contrôle électronique de la vitesse d'un moteur et d'une pompe afin que la production d'énergie soit ajustée pour correspondre aux exigences et aux conditions de fonctionnement. En réduisant la vitesse de 40 % à 70 % dans des conditions de charge partielle et en tenant compte des conditions sans charge, les HPU à vitesse variable ont démontré des économies d'énergie allant jusqu'à 80 % par rapport à leurs homologues à vitesse fixe. Des vitesses de fonctionnement plus basses et plus contrôlées réduisent également la production de chaleur de l'unité, ce qui lui permet de fonctionner plus froid et de réduire ou d'éliminer le besoin de mesures de refroidissement supplémentaires, ainsi que les coûts associés.

À retenir : par rapport aux HPU à vitesse fixe de taille égale, les HPU à vitesse variable fonctionnent plus froid et sont jusqu'à 80 % plus économes en énergie.

4. Connectivité : De nombreux fabricants ont du mal à choisir entre le remplacement d'équipements obsolètes ou la modernisation de composants plus anciens pour les faire entrer dans l'ère moderne de l'IoT. Bien qu'il soit essentiel d'intégrer des capacités de collecte de données pour réduire les coûts de maintenance, améliorer la productivité et protéger la disponibilité, il peut être difficile de décider comment procéder.

Qu'il s'agisse d'ajouter des capteurs à votre ancien HPU ou d'opter pour un nouveau modèle plug-and-play, les données qui peuvent être collectées sont inestimables pour les fonctions de fabrication critiques telles que la productivité, le dépannage et la maintenance prédictive. Avec un HPU moderne, l'accès aux outils de diagnostic et d'analyse de données basés sur le cloud rationalise également les flux de travail et réduit la demande de personnel (en particulier les employés moins expérimentés) pour mettre en service de nouveaux équipements ou capturer des données critiques pour dépanner l'équipement en personne.

Certaines entreprises comme Bosch Rexroth proposent des options de package de capteurs qui incluent le débit/température de vidange du boîtier, le compteur de particules, la consommation d'énergie, les dommages de la pompe et d'autres paramètres de surveillance, avec un accès en temps réel aux rapports de performance et d'utilisation 24h/24 et 7j/7 via des tableaux de bord sur un appareil mobile.

Avec certains HPU plus anciens, la connectivité est toujours une option, mais elle peut s'accompagner de nombreux défis et coûts. Dans ces cas, il est important de calculer ces coûts et de les comparer au coût de remplacement avec un HPU moderne compatible i4.O.

À retenir : réfléchissez à la manière dont votre exploitation pourrait bénéficier des données HPU et comparez le coût de la modernisation d'un ancien HPU avec des capteurs de données au coût de son remplacement par un nouveau modèle plug-and-play équipé d'un ensemble de capteurs intégrés et d'interfaces ouvertes.

5. Coût total de possession : La croyance que rien ne coûte moins cher que l'équipement qu'un fabricant possède déjà est trompeuse, et de bonnes données démontrent souvent que le contraire est plus proche de la vérité. Alors que de nombreux HPU plus anciens à vitesse fixe peuvent être équipés de capteurs et adaptés à la fabrication moderne et à l'IoT, leur consommation d'énergie reste inefficace et inchangée. Ils occupent également toujours la même grande quantité d'espace sur le sol de l'usine et ils sont toujours bruyants. Comparativement, investir dans un nouveau HPU compact à vitesse variable comme le CytroBox peut immédiatement réduire le bruit, libérer de l'espace sur le site de fabrication pour d'autres équipements à but lucratif et réduire les coûts énergétiques en fonctionnant plus efficacement.

À retenir : les HPU modernes à vitesse variable représentent peut-être davantage un investissement initial, mais les fabricants ayant des coûts énergétiques élevés entraînés par des HPU à vitesse fixe verront plus de valeur et un retour sur investissement plus rapide grâce aux économies d'énergie.

Le choix de conserver les anciens HPU à vitesse fixe ou d'investir dans de nouveaux HPU à vitesse variable dépend de nombreux facteurs au sein d'un environnement de fabrication, notamment les dépenses en capital, les objectifs de maintenance allégée et les initiatives de réduction des émissions de carbone. De nouveaux HPU doivent être envisagés pour toute opération qui recherche des solutions prêtes pour l'IdO qui réduisent les coûts énergétiques et le bruit, ainsi que l'espace libre sur le sol de l'usine.

Cet article est rédigé par Tyler Stahl, ingénieur d'application, Bosch Rexroth Corp. (Bethlehem, PA). Pour plus d'informations, rendez-vous ici.

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

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