EP2014835A1 - Système d'asservissement d'un groupe hydraulique alimentant en fluide hydraulique un vibrateur - Google Patents

Système d'asservissement d'un groupe hydraulique alimentant en fluide hydraulique un vibrateur Download PDF

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EP2014835A1 EP08290636A EP08290636A EP2014835A1 EP 2014835 A1 EP2014835 A1 EP 2014835A1 EP 08290636 A EP08290636 A EP 08290636A EP 08290636 A EP08290636 A EP 08290636A EP 2014835 A1 EP2014835 A1 EP 2014835A1
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    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/10—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of mechanical energy
    • B06B1/16—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of mechanical energy operating with systems involving rotary unbalanced masses
    • B06B1/161—Adjustable systems, i.e. where amplitude or direction of frequency of vibration can be varied
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D7/00—Methods or apparatus for placing sheet pile bulkheads, piles, mouldpipes, or other moulds
    • E02D7/18—Placing by vibrating

Definitions

  • the present invention relates to a servo system of a hydraulic unit supplying hydraulic fluid to a vibrator of the type of those used for the insertion into the ground of objects, such as piles, sheet piles, or even a fusiform vibrating system. for example of the type designated by the trademark "Vibrolance” filed in the name of the Applicant.
  • “Vibrolance” is a fusiform vibrator used for soil improvement processes, such as vibro-compaction or ballast columns. It comprises a flyweight rotating at a speed of the order of 1500 to 3200 revolutions / min, so as to obtain a force in the plane perpendicular to its axis of rotation.
  • vibrators are frequently used comprising, mounted rotatably, inside a housing, one or more pairs of eccentric masses (flyweights) rotating at the same speed but in the opposite direction, so as to obtain a resultant consisting of a vertical force of sinusoidal intensity, (the horizontal components of the force being canceled).
  • eccentric masses are rotated, for example by hydraulic motors mounted on the housing, at speeds of the order of 1200 to 3000 rev / min.
  • the amplitude of the vibrations generated by this rotation is a function of the eccentric moment, the frequency (speed of rotation) and the total weight of the system (vibrator / stirrup / object to be driven together).
  • the moment of the vibrator can be fixed or variable.
  • the vibrator comprises at least two eccentric mass trains, each of the trains comprising at least one pair of eccentric masses rotating in opposite directions, while the two eccentric mass trains are coupled to each other by via a phase shifter.
  • phase shifter By performing the phase shift between the two trains, it is possible to vary the amplitude of the oscillations between a zero amplitude (phase opposition) and a maximum amplitude (in phase).
  • a hydraulic unit provides hydraulic energy to the vibrator motor via hydraulic hoses.
  • This hydraulic unit comprises a motor (usually a heat engine) which rotates a hydraulic pump.
  • the hydraulic power absorbed by the vibrator is very variable. It depends in particular on the depth of the plug of the object that one wants to sink as well as the geological characteristics of the ground crossed (presence of geological incidents).
  • the engine of the hydraulic unit is continuously rotated at full speed in order to permanently have a reserve of power. It This results in significant fuel consumption, increased air pollution and noise pollution.
  • the object of the invention is therefore more particularly to eliminate these disadvantages.
  • a servo system comprising means for continuously adapting the speed of rotation of the engine of the hydraulic unit according to the energy actually consumed by the vibrator.
  • the engine of the hydraulic unit may include a device for measuring its charge rate, means being provided to ensure a continuous adjustment of the rotational speed of the engine as a function of the charge rate.
  • variable displacement pump Furthermore, to compensate for flow variations due to engine speed variations, it is possible to use a variable displacement pump.
  • the system may then include means for continuously adjusting the displacement of this pump so as to obtain the necessary flow (set point).
  • a vibrator 1 of the conventional type suspended from the hook 2 of a hoist by means of a suspension stirrup 3.
  • This vibrator 1 is used to effect the driving of a sheet pile 4.
  • the connection between the housing of the vibrator 1 and the sheet pile 4 is provided by a hydraulic clamp 5.
  • the eccentric masses of the vibrator 1 are rotated by at least one hydraulic motor 6 supplied with pressurized hydraulic fluid coming from a hydraulic unit 7 involving a hydraulic pump 8 with variable flow controlled by an actuator allowing a continuous adjustment of the displacement of the pump 8 and a motor 9 for rotating the pump 8.
  • the connection between the pump 8 and the motor 6 of the vibrator 1 is effected by means of two flexible ducts, namely a duct high pressure supply 10 and a return duct to the tank 11, low pressure.
  • the engine 9 here consists of a heat engine equipped with a device for measuring the engine load ratio (that is to say the ratio of power used / available power). It must also be equipped with a controlled command of its speed of rotation.
  • the hydraulic unit 7 / vibrator 1 assembly has been schematically represented by a block 20 in the diagram of FIG. figure 2 .
  • this solution consists in simultaneously slaving two actuators (pump flow and rotation speed of the engine) of the same process according to two separate parameters (respectively vibration frequency and the load ratio of the engine).
  • the frequency sensor may be replaced by a hydraulic flow sensor placed between the pump 8 and the vibrator 1: the vibratory frequency being a function of the flow, the result is substantially the same.
  • the senor (frequency 16 or flow) can be removed and replaced by means performing a theoretical calculation of flow, from the pump displacement control and the speed of rotation of the engine.

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Abstract

Le système d'asservissement d'un groupe hydraulique (7) selon l'invention comprend une pompe (8) entraînée par un moteur (9) alimentant en fluide hydraulique un vibrateur (1) ou système vibrant comportant des masses excentriques entraînées en rotation par au moins un moteur hydraulique recevant ledit fluide. Il comprend en outre des moyens d'adaptation permettant d'adapter en continu la vitesse de rotation du moteur (9) du groupe hydraulique (7) en fonction de l'énergie réellement consommée par le vibrateur (1).

Description

  • La présente invention concerne un système d'asservissement d'un groupe hydraulique alimentant en fluide hydraulique un vibrateur du type de ceux utilisés pour l'enfoncement dans le sol d'objets, tels que des pieux, des palplanches, ou même un système vibrant fusiforme par exemple du type de celui désigné par la marque "Vibrolance" déposée au nom de la Demanderesse.
  • Plus précisément, la "Vibrolance" est un vibrateur fusiforme utilisé pour les procédés d'amélioration des sols, tels que la vibro-compaction ou les colonnes ballastées. Elle comporte une masselotte tournant à une vitesse de l'ordre de 1500 à 3200 tours/min, de façon à obtenir une force dans le plan perpendiculaire à son axe de rotation.
  • D'une manière générale, on sait que pour ce type d'application, on utilise fréquemment des vibrateurs comportant, montés rotatifs, à l'intérieur d'un boîtier, une ou plusieurs paires de masses excentriques (masselottes) tournant à la même vitesse mais en sens opposé, de manière à obtenir une résultante consistant en une force verticale d'intensité sinusoïdale, (les composantes horizontales de la force s'annulant).
  • Usuellement, les masses excentriques sont entraînées en rotation, par exemple par des moteurs hydrauliques montés sur le boîtier, à des vitesses de l'ordre de 1200 à 3000 tours/min.
  • L'amplitude des vibrations engendrée du fait de cette rotation est fonction du moment excentrique, de la fréquence (vitesse de rotation) et du poids total du système (ensemble vibrateur/étrier/objet à enfoncer).
  • Le moment du vibrateur peut être fixe ou variable. Dans ce dernier cas, le vibrateur comprend au moins deux trains de masses excentriques, chacun des trains comprenant au moins une paire de masses excentriques tournant en sens inverse, tandis que les deux trains de masses excentriques sont couplés l'un à l'autre par l'intermédiaire d'un déphaseur. En effectuant le déphasage entre les deux trains, il est possible de faire varier l'amplitude des oscillations entre une amplitude nulle (opposition de phase) et une amplitude maximum (en phase).
  • Dans tous les cas, les moteurs hydrauliques reçoivent une énergie hydraulique qu'ils convertissent en une énergie mécanique de rotation. Un groupe hydraulique fournit l'énergie hydraulique vers le moteur du vibrateur par l'intermédiaire de flexibles hydrauliques. Ce groupe hydraulique comprend un moteur (habituellement un moteur thermique) qui entraîne en rotation une pompe hydraulique.
  • La puissance hydraulique absorbée par le vibrateur est très variable. Elle dépend notamment de la profondeur de fiche de l'objet que l'on veut enfoncer ainsi que des caractéristiques géologiques du sol traversé (présence d'incidents géologiques).
  • Habituellement, on fait tourner en continu à plein régime le moteur du groupe hydraulique pour disposer en permanence d'une réserve de puissance. Il en résulte donc une consommation importante de carburant, une pollution atmosphérique accrue ainsi que des nuisances sonores.
  • L'invention a donc plus particulièrement pour but de supprimer ces inconvénients.
  • A cet effet, elle propose un système d'asservissement comprenant des moyens permettant d'adapter en continu, la vitesse de rotation du moteur du groupe hydraulique en fonction de l'énergie réellement consommée par le vibrateur.
  • Avantageusement, le moteur du groupe hydraulique pourra comprendre un dispositif de mesure de son taux de charge, des moyens étant prévus pour assurer un réglage en continu de la vitesse de rotation du moteur en fonction du taux de charge.
  • Par ailleurs, pour compenser les variations de débit dues aux variations de vitesse du moteur, on pourra utiliser une pompe à cylindrée variable. Le système pourra alors comprendre des moyens de réglage en continu de la cylindrée de cette pompe de façon à obtenir le débit nécessaire (consigne).
  • Un mode d'exécution de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels :
    • La figure 1 est une représentation schématique d'un vibrateur et de son circuit d'alimentation en fluide hydraulique, et de son circuit de contrôle/commande ;
    • La figure 2 est un schéma de principe du double système d'asservissement mis en oeuvre dans le circuit de contrôle/commande illustré figure 1.
  • Dans l'exemple illustré sur la figure 1, on a représenté schématiquement un vibrateur 1 de type classique suspendu au crochet 2 d'un engin de levage par l'intermédiaire d'un étrier de suspension 3. Ce vibrateur 1 sert à effectuer l'enfoncement d'une palplanche 4. La liaison entre le boîtier du vibrateur 1 et la palplanche 4 est assurée par une pince hydraulique 5.
  • Les masses excentriques du vibrateur 1 sont entraînées en rotation par au moins un moteur hydraulique 6 alimenté en fluide hydraulique sous pression provenant d'un groupe hydraulique 7 faisant intervenir une pompe hydraulique 8 à débit variable commandée par un actionneur permettant un réglage en continu de la cylindrée de la pompe 8 et un moteur 9 servant à l'entraînement en rotation de la pompe 8. La liaison entre la pompe 8 et le moteur 6 du vibrateur 1 s'effectue au moyen de deux conduits souples, à savoir, un conduit d'alimentation haute pression 10 et un conduit de retour à la bâche 11, basse pression.
  • Le moteur 9 consiste ici en un moteur thermique équipé d'un dispositif de mesure du taux de charge du moteur (c'est-à-dire le ratio puissance utilisée/puissance disponible). Il doit aussi être équipé d'une commande asservie de sa vitesse de rotation.
  • Le circuit de contrôle/commande associé au vibrateur 1 et au groupe hydraulique 7 fait intervenir :
    • un boîtier de commande 12 (interface homme/machine) comprenant un bouton 13 (ou analogue) de réglage de la fréquence vibratoire,
    • un calculateur central 14 raccordé électriquement au moteur thermique 9 (liaison bidirectionnelle 15), à la pompe hydraulique 8 (commande de variation de la cylindrée) et à un capteur de fréquence 16 monté sur le boîtier du vibrateur 1. La liaison bidirectionnelle 15 permet au calculateur d'effectuer la commande de la vitesse de rotation du moteur 9 et au moteur 9 d'envoyer au calculateur 14 l'information relative à son taux de charge.
  • L'ensemble groupe hydraulique 7/vibrateur 1 a été schématiquement représenté par un bloc 20 dans le schéma de la figure 2.
  • Cet ensemble est soumis à un double asservissement comportant :
    • Une première boucle d'asservissement B1 comportant un soustracteur 21 servant à mesurer l'écart entre la fréquence mesurée par le capteur de fréquence 16 et une fréquence de consigne C1 affichée sur le bouton 13. Le signal d'écart (erreur) délivré par le soustracteur 21 est transmis à un correcteur de fréquence 22 qui élabore un signal de commande de cylindrée de pompe (débit) qui est appliqué à l'actionneur 23 de réglage de la cylindrée de la pompe (actionneur de débit).
    • Une deuxième boucle d'asservissement B2 comprenant un soustracteur 24 servant à mesurer l'écart entre la valeur instantanée du taux de charge du moteur 9, mesurée par un indicateur de taux de charge IT équipant le moteur 9 et une consigne de taux de charge C2. Le signal d'écart (erreur) délivré par le soustracteur 24 est transmis à un correcteur de taux de charge 25 qui élabore un signal de commande de vitesse moteur qu'il applique à un actionneur de vitesse moteur (organe de puissance 26). Dans cet exemple, le correcteur de taux de charge 25 reçoit une information relative à la commande de cylindrée maximum émanant du correcteur de fréquence 27.
  • Le principe du système d'asservissement précédemment décrit est alors le suivant :
    • o Tout d'abord, l'opérateur définit une consigne de fréquence vibratoire, grâce au bouton dédié 13 du boîtier de commande 12 ;
    • o Le capteur de vibration 16 mesure en continu la fréquence vibratoire réelle du vibrateur 1 ;
    • o Le calculateur 14 compare l'écart entre la fréquence désirée (consigne C1) et la fréquence mesurée émanant du capteur 16 et commande en conséquence la correction du débit de la pompe 8 (en provoquant une variation de sa cylindrée) ;
    • o En même temps, le calculateur 14 compare le taux de charge mesuré du moteur 9 par rapport à la consigne de taux de charge C2. Le calculateur 14 corrige en conséquence la vitesse de rotation du moteur thermique 9. (Si le taux de charge mesuré est plus faible que la consigne C2 et que la commande de cylindrée de pompe n'est pas au maximum, le calculateur 14 commande un ralentissement du moteur 9, par exemple par action sur la commande des gaz. Si le taux de charge mesuré est plus fort que la consigne C2, le calculateur 14 commande une accélération du moteur 9). Plus la consigne de taux C2 de charge est élevée (proche de 100%), meilleure sera l'économie de carburant réalisée. A l'inverse, une consigne C2 faible imposera au moteur 9 de fonctionner à plein régime. Cette consigne C2 de taux de charge pourra éventuellement être réglée par l'utilisateur grâce à un organe de réglage tel que par exemple un bouton de réglage 28 du boîtier 12. Néanmoins, cette consigne pourra être fixe et non modifiable par l'utilisateur.
  • En résumé, cette solution consiste à asservir en même temps deux actionneurs (débit pompe et vitesse de rotation du moteur thermique) d'un même processus en fonction de deux paramètres distincts (respectivement la fréquence vibratoire et le taux de charge du moteur thermique).
  • Quand on agit sur l'un des deux asservissements, l'autre doit effectuer une compensation, car chacun agit sur le même processus.
  • Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux dispositions précédemment décrites. Ainsi, par exemple, le capteur de fréquence pourra être remplacé par un capteur de débit hydraulique placé entre la pompe 8 et le vibrateur 1 : la fréquence vibratoire étant fonction du débit, le résultat est sensiblement le même.
  • De même, le capteur (de fréquence 16 ou de débit) peut être supprimé et remplacé par des moyens effectuant un calcul théorique de débit, à partir de la commande de cylindrée de pompe et de la vitesse de rotation du moteur thermique.

Claims (13)

  1. Système d'asservissement d'un groupe hydraulique (7) comprenant une pompe (8) entraînée par un moteur (9) alimentant en fluide hydraulique un vibrateur (1) ou système vibrant comportant des masses excentriques entraînées en rotation par au moins un moteur hydraulique recevant ledit fluide,
    caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'adaptation permettant d'adapter en continu la vitesse de rotation du moteur (9) du groupe hydraulique (7) en fonction de l'énergie réellement consommée par le vibrateur (1).
  2. Système selon la revendication 1,
    caractérisé en ce que le groupe hydraulique (7) comprend une pompe (8) à débit variable par variation de sa cylindrée et en ce qu'il comprend des moyens assurant un réglage en continu de la cylindrée de la pompe (8) de manière à obtenir un débit égal à une valeur de consigne.
  3. Système selon l'une des revendications 1 et 2,
    caractérisé en ce que le moteur du groupe hydraulique comprend un dispositif de mesure de son taux de charge et en ce qu'il comprend des moyens assurant un réglage en continu de la vitesse de rotation du moteur en fonction dudit taux de charge.
  4. Système selon l'une des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que le vibrateur (1) est muni d'un capteur de fréquence des vibrations (16), le moteur (9) du groupe hydraulique (7) est un moteur thermique équipé d'un dispositif de mesure de son taux de charge et les susdits moyens d'adaptation comprennent des moyens d'asservissement comportant :
    o une première boucle d'asservissement (B1) comportant un soustracteur (21) servant à mesurer un premier écart entre la fréquence mesurée par le capteur de fréquence (16) et une fréquence de consigne (C1) et un correcteur de fréquence (22) qui applique aux moyens de réglage de la cylindrée de la pompe (8) un signal de commande de débit fonction dudit premier écart ;
    o une deuxième boucle d'asservissement (B2) comprenant un soustracteur (24) servant à mesurer un second écart entre la valeur instantanée du taux de charge du moteur (9), mesuré par le susdit dispositif de mesure du taux de charge, et une consigne de taux de charge (C2), et un correcteur de taux de charge (25) qui applique à un actionneur de vitesse moteur, un signal de commande fonction dudit second écart.
  5. Système selon la revendication 4,
    caractérisé en ce que le correcteur de taux de charge reçoit un signal de commande de cylindrée maximum émanant du correcteur de fréquence (22).
  6. Système selon la revendication 4,
    caractérisé en ce que le susdit capteur de fréquence (16) est remplacé par un capteur de débit hydraulique placé entre la pompe (8) et le vibrateur (1).
  7. Système selon la revendication 4,
    caractérisé en ce que la consigne (C2) de taux de charge est réglable par l'utilisateur.
  8. Système selon la revendication 4,
    caractérisé en ce que la consigne (C2) de taux de charge est fixe.
  9. Système selon l'une des revendications 4 à 8,
    caractérisé en ce que la susdite consigne de fréquence est réglable par l'utilisateur.
  10. Système selon l'une des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que le susdit vibrateur est à moment fixe ou à moment variable.
  11. Système selon l'une des revendications 1 à 9,
    caractérisé en ce que le susdit système vibrant est de type fusiforme.
  12. Système selon la revendication 5,
    caractérisé en ce que si le taux de charge mesuré est plus faible que la consigne (C2) et que la commande de cylindrée de la pompe n'est pas au maximum, les moyens d'asservissement (14) commandent un ralentissement du moteur (9) et si le taux de charge mesuré est plus fort que la consigne (C2), les moyens d'asservissement commandent une accélération du moteur.
  13. Système selon la revendication 4,
    caractérisé en ce que le susdit capteur de fréquence (16) est supprimé et remplacé par des moyens effectuant un calcul théorique de débit à partir de la commande de cylindrée de la pompe (8) et de la vitesse de rotation du moteur thermique (9).
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