Brevet FR2901548A1 — publié le 20071130

50F1)EP.doc 2 La mesure de contraintes via une mesure de pression s'avère cependant peu précise, peu réactive et sensible aux variations de température. La faible réactivité de ce type de capteur de contraintes ne permet pas la mesure des contraintes induites dans un organe de levage lors de chocs ou de brusques accélérations se produisant lors du levage de la charge. Il en est de même lorsqu'il se produit des vibrations au cours de l'opération de levage et de manutention de la charge. Une telle mesure de contraintes est nécessairement déportée à l'écart de l'organe de levage lui-même, et il en résulte un manque de précision dans la connaissance de la contrainte réellement supportée par l'organe de levage. En outre, un tel capteur de contraintes nécessite l'ajout d'éléments rapportés sur l'organe de levage, éléments qui s'avèrent fort encombrants et difficiles à adapter sur tous les engins de levage et de manutention couramment utilisés. Un premier problème proposé par l'invention est de mesurer de façon précise une charge et/ou des contraintes induites dans un organe de levage lors du levage d'une charge. Simultanément, l'invention cherche à réaliser cette mesure au plus près de l'organe de levage, afin de limiter au maximum les risques d'erreurs pouvant 20 résulter d'approximations par calcul. Selon un autre aspect, l'invention vise à concevoir un dispositif de mesure présentant une haute durabilité, capable d'endurer des chocs, insensible aux champs électromagnétiques, et ne nécessitant aucun recalibrage pour compenser les variations de température. 25 L'invention cherche en outre à concevoir un dispositif de mesure du poids d'une charge levée par un organe de levage et/ou des contraintes induites par le levage d'une charge, qui ait une haute réactivité et une grande rapidité, permettant une mesure en temps réel. Selon un autre aspect, l'invention vise à réaliser un dispositif de mesure 30 peu encombrant, facilement adaptable à la plupart des organes de levage existants et couramment utilisés dans le domaine du levage. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, l'invention propose un organe de levage, destiné à transmettre tout ou partie de l'effort de levage entre un appareil de levage et une charge à lever, comportant : 35 - une partie proximale conformée pour être fixée à l'appareil de levage, - une partie distale adaptée pour être reliée à la charge, 495OFDEP.doe - un tronçon longitudinal, se développant depuis la partie proximale en direction de la partie distale, et apte à s'allonger élastiquement sous l'action de la partie de l'effort de levage, dans lequel : - le tronçon longitudinal de l'organe de levage comprend au moins un canal longitudinal, - un capteur de contraintes à fibre optique est inséré dans ledit au moins un canal longitudinal et est fixé à la paroi latérale dudit au moins un canal longitudinal, - des moyens de liaison sont prévus pour transmettre les signaux du capteur de contraintes à fibre optique à des moyens de réception et d'analyse des signaux du capteur de contraintes à fibre optique. L'utilisation d'un capteur de contraintes à fibre optique permet une grande réactivité ainsi qu'une grande précision dans la mesure de la charge et/ou des contraintes induites par le levage de la charge dans l'organe de levage. Pour réaliser et utiliser un tel capteur de contraintes à fibre optique, on pourra utilement se référer aux enseignements du document WO 86/01303. On pourra également se référer de façon utile aux enseignements du document WO 2004/056017 qui décrit l'utilisation et le fonctionnement de moyens de réception et d'analyse des signaux d'un capteur de contraintes à fibre optique. Avantageusement, le capteur de contraintes à fibre optique est fixé à la paroi latérale du canal longitudinal selon au moins une première et une seconde zones de fixation situées à distance l'une de l'autre selon la direction longitudinale du canal longitudinal. Lors du levage d'une charge, le tronçon longitudinal de l'organe de levage s'allongera élastiquement sous l'action de l'effort de levage. Cet allongement du tronçon longitudinal fera varier l'écart entre les deux zones de fixation, ce qui provoquera une variation des signaux du capteur de contraintes à fibre optique, laquelle variation permettra d'en déduire directement l'état de contrainte induit par la charge de l'organe de levage et/ou le poids de la charge levée par l'organe de levage. De préférence, les première et seconde zones de fixation peuvent être disposées dans une zone de diamètre constant du tronçon longitudinal de l'organe de levage. Une telle disposition permet d'éviter toute approximation à effectuer par calcul pour évaluer les contraintes et/ou le poids de la charge à partir des signaux du capteur de contraintes à fibre optique. On évite ainsi d'avoir à effectuer un calcul prenant en considération les allongements respectifs de différents tronçons 501 DFiP.doc 4 de sections différentes qui subiront un allongement différent sous une même charge. Ces calculs ne sont en outre souvent qu'une simple approximation en fonction de la géométrie de l'organe de levage et des tronçons de raccordement entre les différents tronçons de sections différentes. Il peut cependant en outre se produire des phénomènes de concentration de contraintes qui pourront difficilement être pris en compte dans les calculs, et dont on s'affranchit efficacement par la disposition particulière des première et seconde zones de fixation. Avantageusement, le canal longitudinal peut être disposé au milieu de la 10 section transversale du tronçon longitudinal de l'organe de levage. Le capteur de contraintes à fibre optique est ainsi inséré dans la fibre neutre du tronçon longitudinal de l'organe de levage. La contrainte mesurée par le capteur de contraintes à fibre optique sera ainsi une contrainte axiale pure. La mesure ne sera ainsi pas parasitée par une quelconque flexion de l'organe de 15 levage qui viendrait fausser le calcul du poids de la charge soulevée. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, la partie distale de l'organe de levage peut être conformée en crochet. Selon un second mode de réalisation de l'invention, la partie distale de l'organe de levage peut être conformée en T . 20 On réalise ainsi l'adaptation de l'invention aux organes de levage les plus couramment utilisés dans le domaine du génie civil ou dans le domaine de la manutention portuaire. Avantageusement, un ou plusieurs organes de levage selon l'invention peuvent être prévus sur un cadre de préhension et de levage de charges. 25 Selon un autre aspect, l'invention propose un dispositif de mesure et d'analyse d'une charge, comportant au moins un organe de levage tel qu'il a été expliqué ci-dessus, dans lequel les moyens de réception et d'analyse peuvent traiter les signaux du capteur de contraintes à fibre optique pour déterminer l'un ou plusieurs des paramètres suivants : 30 - le poids soulevé par ledit au moins un organe de levage, - l'état de contrainte dudit au moins un organe de levage, - la durée d'application des charges et leur intensité, - le nombre de cycles accomplis par ledit au moins un organe de levage, - le spectre de charge et/ou de contraintes dudit au moins un organe de levage. 35 Le spectre de charge et/ou de contraintes permet d'estimer l'état de fatigue de l'organe de levage. On peut ainsi prévoir en toute sécurité le remplacement de l'organe de levage. 495OFDEP.doc De préférence le dispositif de mesure et d'analyse d'une charge peut comporter plusieurs organes de levage pour la préhension simultanée d'une même charge et les moyens de réception et d'analyse peuvent traiter les signaux de plusieurs capteurs de contraintes à fibre optique pour déterminer en outre l'un ou plusieurs des paramètres suivants : - la localisation du centre de gravité de la charge, - la force de levage exercée par chaque organe de levage. Avantageusement, le dispositif de mesure et d'analyse d'une charge peut être utilisé sur un appareil de levage tel qu'un portique de manutention, un portique à conteneurs, une grue, une grue mobile ou encore un gerbeur à tablier porte-fourche. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles : la figure 1 est une vue en perspective d'un premier mode de réalisation d'organe de levage selon l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique de côté d'un second mode de réalisation d'un organe de levage selon l'invention ; - la figure 3 est une vue en perspective d'un cadre de préhension et de levage 20 d'une charge comportant plusieurs organes de levage ; et - les figures 4 et 5 illustrent différentes utilisations possibles du dispositif de la figure 3. Les figures 1 et 2 représentent un organe de levage 1 comportant : une partie proximale 1 a conformée pour être fixée à l'appareil de levage, 25 - une partie distale 1 b adaptée pour être reliée à la charge, - un tronçon longitudinal 1c, se développant depuis la partie proximale 1 a en direction de la partie distale 1 b, et apte à s'allonger élastiquement sous l'action d'un effort de levage de la charge, Le tronçon longitudinal 1c de l'organe de levage 1 comprend un canal 30 longitudinal 1d borgne, s'étendant depuis la partie proximale la. Un capteur de contraintes à fibre optique 2 est inséré dans le canal longitudinal 1 d et est fixé à la paroi latérale du canal longitudinal 1d. La fixation à la paroi latérale du capteur de contraintes à fibre optique 2 peut s'effectuer à l'aide d'une résine époxy d'usage courant. 35 Le canal longitudinal 1d est borgne et s'étend depuis la partie proximale 1 a de l'organe de levage 1. Une telle configuration permet de ne pas affecter la partie distale 1 b qui est la partie active de l'organe de levage 1 qui permet OPDEP.doc 6 l'accrochage de la charge. En alternative, le canal longitudinal 1d peut être traversant afin de faciliter, par exemple, l'introduction et/ou l'extraction du capteur de contraintes à fibre optique 2. Des moyens de liaison 3 sont prévus pour transmettre les signaux du 5 capteur de contraintes à fibre optique 2 à des moyens de réception et d'analyse 4 des signaux du capteur de contraintes à fibre optique 2. Dans les modes de réalisation illustrés sur les figures 1 et 2, le capteur de contraintes à fibre optique 2 est fixé à la paroi latérale du canal longitudinal 1d selon deux zones de fixation 5a et 5b situées à distance l'une de l'autre selon la direction longitudinale du canal longitudinal 1d. Lors du levage d'une charge accrochée à la partie distale 1 b de l'organe de levage 1, le tronçon longitudinal 1c s'allongera élastiquement sous l'effort de levage. Le capteur de contraintes à fibre optique 2, étant fixé à la paroi latérale du canal longitudinal 1d selon les zones de fixation 5a et 5b, subira également une variation de longueur. Cette variation de longueur fera varier les signaux du capteur de contraintes à fibre optique 2 envoyés aux moyens de réception et d'analyse 4 par les moyens de liaison 3. La variation des signaux du capteur de contraintes à fibre optique 2 est directement liée à l'allongement subi par le capteur de contraintes à fibre optique 2, comme il est par exemple expliqué en détail dans le document WO 86/01303. A partir de la variation des signaux du capteur de contraintes à fibre optique 2, on peut en déduire l'allongement subi par le capteur de contraintes à fibre optique 2, et cet allongement est considéré comme sensiblement égal à l'allongement élastique subi par le tronçon longitudinal 1c entre les zones de fixation 5a et 5b. En connaissant le matériau qui constitue l'organe de levage 1 et ses caractéristiques mécaniques, il est possible d'en déduire de façon simple, par un calcul bien connu de l'homme du métier, les contraintes induites par la charge dans l'organe de levage 1. Ces contraintes sont directement liées au poids de la charge fixée à la partie distale 1 b de l'organe de levage 1. Il est ainsi possible de connaître également le poids de la charge soulevée par l'organe de levage 1. L'utilisation du capteur de contraintes à fibre optique 2 permet de réaliser une mesure rapide et de haute fiabilité. Cette mesure peut également être rendue indépendante des écarts de température de façon simple à l'aide de formules mathématiques, comme il est indiqué dans le document WO 86/01303. En alternative, on peut envisager d'utiliser un capteur de contraintes à fibre optique 50FDEP.doc 7 supplémentaire, libre de toute contrainte et non soumis à une charge, afin de se servir de son signal pour compenser les variations de température. L'organe de levage 1 devient ainsi lui-même un moyen de mesure du poids de la charge. On réalise ainsi une mesure interne des contraintes induites dans l'organe de levage, au plus proche de celles-ci, ce qui limite le risque d'erreur pouvant se produire lors d'approximations par calcul. L'utilisation du capteur de contraintes à fibre optique 2 permet, de par sa réactivité et sa rapidité de mesure, de mesurer des contraintes transitoires élevées pouvant se produire lors de chocs et de vibrations se produisant au cours d'une opération de levage et sans que le capteur de contraintes à fibre optique 2 ne soit détérioré par ces chocs ou vibrations. Ceci permet de mieux connaître l'état de fatigue de l'organe de levage 1, et de prévoir son remplacement préventif si celui-ci a été ou risque d'avoir été endommagé par les opérations de levage antérieures. Il est en effet possible de connaître en temps réel l'état de charge et/ou de contraintes de l'organe de levage 1, et d'établir ainsi son spectre de charge et/ou de contraintes. Comme on le voit sur les figures 1 et 2, le capteur de contraintes à fibre optique 2 est directement intégré dans l'organe de levage 1 qui n'est pas modifié dans sa forme extérieure fonctionnelle. Les organes de levage 1 représentés sur les figures 1 et 2 restent ainsi adaptables à tous les engins de levage auxquels ceux-ci étaient destinés à l'origine. Le capteur de contraintes à fibre optique 2 présente un diamètre d très faible, de sorte que l'organe de levage 1 n'est pas ou très peu affecté dans sa résistance mécanique par la présence du canal longitudinal 1d. Sur les figures 1 et 2, les zones de fixation 5a et 5b sont disposées dans une zone de diamètre constant du tronçon longitudinal l c de l'organe de levage 1. Le capteur de contraintes à fibre optique 2 s'allonge de la même façon que la zone de l'organe de levage 1 comprise entre la première zone de fixation 5a et la seconde zone de fixation 5b. Cette zone ayant un diamètre constant D, elle s'allongera de façon linéaire en fonction de la charge fixée à la partie distale 1 b de l'organe de levage 1. On connaîtra ainsi aisément la contrainte induite dans l'organe de levage 1, et le poids de la charge, sans calcul supplémentaire et donc sans risque d'erreurs par calculs approximatifs. Dans les modes de réalisation illustrés sur les figures 1 et 2, le canal longitudinal 1d est disposé au milieu de la section transversale du tronçon longitudinal l c de l'organe de levage 1. 495OFDEP.doc 2901548 8 Le capteur de contraintes à fibre optique 2 est ainsi logé dans la fibre neutre du tronçon longitudinal 1c de l'organe de levage 1. Ceci permet de mesurer une contrainte axiale pure s'exerçant sur l'organe de levage 1. La mesure n'est ainsi pas parasitée par les éventuels effets de flexion de l'organe de levage 1. A 5 défaut, dans le cas d'une position décentrée du capteur de contraintes à fibre optique 2, des effets de flexion pourraient diminuer ou augmenter la contrainte calculée par les moyens de réception et d'analyse 4 à partir des signaux donnés par le capteur de contraintes à fibre optique 2. Dans le premier mode de réalisation illustré sur la figure 1, l'extrémité 10 distale 1 b de l'organe de levage 1 est conformée en T . Il s'agit d'un verrou tournant, plus communément appelé twistlock en anglais, utilisé couramment dans les appareils de manutention portuaire pour le levage et la manutention de conteneurs. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, la partie distale 1 b de 15 l'organe de levage 1 est conformée en crochet. L'organe de levage 1 représenté sur la figure 2 est couramment utilisé dans de nombreux appareils de levage comme par exemple dans des grues dans le domaine du génie civil. Sur les figures 1 et 2, l'organe de levage 1 et les moyens de réception et d'analyse 4 constituent un dispositif 9 de mesure et d'analyse d'une charge. Ce 20 dispositif 9 de mesure et d'analyse de charge permet de déterminer au choix l'un ou plusieurs des paramètres suivants : - le poids soulevé par l'organe de levage 1, - l'état de contrainte de l'organe de levage 1, - la durée d'application des charges et leur intensité, 25 - le nombre de cycles accomplis par l'organe de levage 1. Il est ainsi possible d'effectuer un diagnostic fiable de l'organe de levage 1, et de prévoir son remplacement avant que celui-ci ne vienne à se rompre par une utilisation excessive ou inadaptée en établissant le spectre de charge et/ou de contraintes de l'organe de levage 1. 30 Ce dispositif 9 de mesure et d'analyse de charge peut également être relié à un dispositif de sécurité (non représenté) prévu sur l'appareil de levage, destiné à couper l'alimentation en puissance de l'appareil de levage dans le cas où le dispositif 9 de mesure et d'analyse de charge détecterait une charge supérieure à la charge maximale qui peut être soulevée par l'organe de levage 1, ou 35 supérieure à la charge maximale que peut soulever sans danger l'appareil de levage. 5OPDEP.doc 9 Un tel dispositif 9 de mesure et d'analyse de charge permet également de surveiller l'état de fatigue et de contraintes de l'organe de levage 1. On pourra ainsi repérer aisément toutes contraintes résiduelles dans l'organe de levage 1, ou des comportements non élastiques du tronçon longitudinal 1c, indiquant un début de déformation plastique de l'organe de levage 1 pouvant le conduire à se rompre. Sur la figure 3 est représenté un cadre de préhension et de levage 6 comportant quatre organes de levage 1 selon le mode de réalisation illustré sur la figure 1. Les organes de levage 1 sont disposés aux quatre coins du cadre 6, lequel cadre 6 peut être utilisé indifféremment avec un portique de manutention 7 ou une grue comme illustré sur la figure 4, ou avec un gerbeur à tablier porte-fourche 8 comme illustré sur la figure 5. Dans le cadre 6 illustré sur la figure 3, les organes de levage 1 sont tous munis de capteurs de contraintes à fibre optique eux-mêmes reliés par les moyens de liaison 3 à des mêmes moyens de réception et d'analyse 4 des signaux des capteurs de contraintes à fibre optique (non représentés) contenus dans les organes de levage 1. Les moyens de réception et d'analyse 4 peuvent ainsi traiter les signaux des capteurs de contraintes à fibre optique (non représentés) contenus dans les organes de levage 1 pour déterminer au choix l'un ou plusieurs des paramètres suivants : - le poids soulevé par chaque organe de levage 1, - l'état de contrainte de chaque organe de levage 1, - le nombre de cycles accomplis par chaque organe de levage 1, - la localisation du centre de gravité de la charge. En connaissant le poids soulevé par chaque organe de levage 1, on peut en déduire la localisation précise du centre de gravité de la charge, ce qui permet de prévenir tout accident pouvant provenir d'une localisation excentrée du centre de gravité de la charge lors du levage de celle-ci. On prévient ainsi tout risque de basculement intempestif d'un appareil de levage dû au levage d'une charge dont le poids, bien qu'inférieur à la limite maximale de l'appareil, comporte un centre de gravité excentré. De la même façon, le fait de connaître le poids soulevé par chaque organe de levage 1 permet de savoir si chacun des organes de levage 1 est effectivement sous charge et participe au levage de la charge. On pourra ainsi stopper toute tentative de levage d'une charge si l'un quelconque des organes de levage 1 ne participe pas ou trop peu, et si les autres organes de levage 1 supportent une charge excessive. On accroît ainsi efficacement la sécurité des 50FDEP.doc 10 appareils de levage et du personnel évoluant dans l'environnement immédiat de l'appareil. Bien que le cadre de préhension et de levage 6 représenté sur les figures 3 à 5 ne comporte que quatre organes de levage 1, il est possible d'envisager un nombre plus grand d'organes de levage 1, agencés différemment pour le levage simultané de plusieurs conteneurs. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations contenues dans le domaine des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1 û Organe de levage (1), destiné à transmettre tout ou partie de l'effort de levage entre un appareil de levage et une charge à lever, comportant : - une partie proximale (la) conformée pour être fixée à l'appareil de levage, - une partie distale (1 b) adaptée pour être reliée à la charge, -un tronçon longitudinal (1c), se développant depuis la partie proximale (la) en direction de la partie distale (1 b), et apte à s'allonger élastiquement sous l'action de la partie de l'effort de levage, caractérisé en ce que : - le tronçon longitudinal (1c) de l'organe de levage (1) comprend au moins un canal longitudinal (Id), - un capteur de contraintes à fibre optique (2) est inséré dans ledit au moins un canal longitudinal (Id) et est fixé à la paroi latérale dudit au moins un canal longitudinal (Id), - des moyens de liaison (3) sont prévus pour transmettre les signaux du capteur de contraintes à fibre optique (2) à des moyens de réception et d'analyse (4) des signaux du capteur de contraintes à fibre optique (2). 2 û Organe de levage (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur de contraintes à fibre optique (2) est fixé à la paroi latérale du canal longitudinal (Id) selon au moins une première (5a) et une seconde (5b) zones de fixation situées à distance l'une de l'autre selon la direction longitudinale du canal longitudinal (Id). 3 û Organe de levage (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que les première (5a) et seconde (5b) zones de fixation sont disposées dans une zone de diamètre (D) constant du tronçon longitudinal (1c) de l'organe de levage (1). 4 û Organe de levage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le canal longitudinal (Id) est borgne, s'étend depuis la partie proximale (la), et est disposé au milieu de la section transversale du tronçon longitudinal (1c) de l'organe de levage (1). 5 û Organe de levage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la partie distale (1 b) est conformée en crochet. 6 û Organe de levage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la partie distale (1 b) est conformée en T . 7 û Cadre de préhension et de levage (6), caractérisé en ce qu'il 35 comporte au moins un organe de levage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 4950FDEP.doc8 û Dispositif (9) de mesure et d'analyse d'une charge, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un organe de levage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, et en ce que les moyens de réception et d'analyse (4) traitent les signaux du capteur de contraintes à fibre optique (2) pour déterminer l'un ou plusieurs des paramètres suivants : - le poids soulevé par ledit au moins un organe de levage (1), - l'état de contrainte dudit au moins un organe de levage (1), - la durée d'application des charges et leur intensité, - le nombre de cycles accomplis par ledit au moins un organe de levage (1), - le spectre de charge et/ou de contraintes dudit au moins un organe de levage (1). 9 û Dispositif (9) selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs organes de levage (1) pour la préhension simultanée d'une même charge, et en ce que les moyens de réception et d'analyse (4) traitent les signaux de plusieurs capteurs de contraintes à fibre optique (2) pour déterminer en outre l'un ou plusieurs des paramètres suivants : - la localisation du centre de gravité de la charge, - la force de levage exercée par chaque organe de levage (1). 10 û Dispositif selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que l'appareil de levage est un portique de manutention (7). 11 û Dispositif selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que l'appareil de levage est une grue. 12 û Dispositif selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que l'appareil de levage est un gerbeur à tablier porte-fourche (8).