Brevet FR3000774A1 — publié le 20140711

SYSTEME DE COMMANDE ET DE LIMITATION DE VITESSE POUR CONTROLER LE MOUVEMENT D'UN ORGANE MOBILE La présente invention est relative aux systèmes de 5 commande et de limitation de vitesse pour contrôler le mouvement d'un organe mobile. Plus particulièrement, l'invention concerne un dispositif de limitation de vitesse dans une chaine cinématique de commande motorisée pour contrôler le 10 mouvement d'un organe mobile, en particulier soumis à la gravité ou à la pression hydraulique. L'invention vise en particulier le comportement du système en cas d'indisponibilité temporaire de l'alimentation d'énergie motrice, notamment électrique, en particulier le besoin 15 d'affaler l'organe mobile jusqu'à une position de sécurité sans risque de dommages. Il est connu dans l'art antérieur du document JP 2011-246990 de placer un frein centrifuge en prise avec la chaine cinématique pour limiter la vitesse de 20 déplacement de l'organe mobile. Toutefois, le seuil de vitesse auquel intervient effectivement le frein centrifuge doit nécessairement être plus élevé que les valeurs de vitesses nominales engendrées par l'organe moteur afin que le frein centrifuge ne gêne pas le fonctionnement normal du 25 système lorsque l'alimentation d'énergie est présente. Ceci nécessite de dimensionner la chaine cinématique pour des valeurs de vitesses correspondant au seuil de déclenchement du frein centrifuge, pour des cas d'utilisation qui restent rares. De plus, lorsque le frein 30 centrifuge est en prise en permanence avec la chaine cinématique, cela augmente l'inertie ce qui n'est pas souhaitable. Il est donc apparu un besoin d'optimiser ce genre de système pour dimensionner la chaine cinématique au plus 35 juste, tout en conservant la fonction d'affalage de l'organe mobile jusqu'à une position de sécurité sans risque de dommages en cas de manque d'alimentation énergétique. En particulier, il est intéressant d'avoir la possibilité de rajouter un dispositif d'affalage sur une chaîne cinématique existante non dimensionnée en conséquence, et cela sans avoir à redimensionner la chaîne cinématique ou à remplacer des éléments de cette dernière. A cet effet, l'invention propose un système de commande et de limitation de vitesse pour contrôler le mouvement d'un organe mobile soumis à la gravité et/ou à 10 une pression hydraulique, comprenant : - un organe moteur, - une chaîne cinématique interposée entre l'organe moteur et l'organe mobile, - un dispositif de limitation de vitesse, apte à 15 limiter la vitesse de déplacement de l'organe mobile, en prise avec la chaîne cinématique sur une portion de prise d'un arbre tournant de la chaîne cinématique, le dispositif de limitation de vitesse comprenant : - un frein centrifuge, 20 - un embrayage à manque d'énergie, interposé entre le frein centrifuge et la portion de prise, l'embrayage étant rappelé à l'état fermé en cas de manque d'énergie, pour mettre en engagement effectif le frein centrifuge avec la chaîne cinématique, afin de limiter la 25 vitesse de déplacement de l'organe. Grâce à ces dispositions, le frein centrifuge n'est pas couplé à la chaine cinématique dans le cas normal de présence d'alimentation énergétique ; mais si l'alimentation énergétique vient à être interrompue, le 30 frein centrifuge est automatiquement mis en prise avec la chaine cinématique grâce à l'embrayage à manque d'énergie, et on peut affaler l'organe mobile à vitesse limitée jusqu'à une position de sécurité sans risque de dommages. Dans des modes de réalisation du procédé selon 35 l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : - la vitesse nominale de l'organe moteur correspond à une première vitesse V1 sur la portion de prise, et le frein centrifuge présente une vitesse d'activation du freinage correspondant à une deuxième 5 vitesse V2 sur la portion de prise, et V2 L'organe mobile 1 en question peut aussi être une cage d'ascenseur ou de monte-charges, le crochet d'un appareil de levage (grue, pont roulant, etc...) avec sa charge embarquée, la plateforme d'un pont élévateur, ou toute autre entité mobile soumise à l'action de la pesanteur. Une chaîne cinématique 3 (qu'on peut aussi appeler 'transmission') est interposée entre l'organe moteur 2 et l'organe mobile 1 et comprend généralement des arbres tournants et des réductions de vitesse. Elle est engagée directement à une de ses extrémités 32 avec le mouvement de montée et descente de l'organe mobile 1, par exemple au moyen d'un engrenage final 16, ou d'un tambour à câbles, ou encore d'un pignon et chaîne de suspension. Dans l'exemple illustré, le mouvement de l'organe mobile 1 est une rotation autour d'un axe Y. A l'extrémité opposée 33 de la chaîne cinématique, celle-ci est engagée avec le rotor d'un organe moteur 2, le plus souvent un moteur électrique M, mais qui peut aussi être un moteur hydraulique ou pneumatique. Entre les deux extrémités 32,33, la chaîne cinématique peut comprendre un ou plusieurs arbres tournants 35,36, et le cas échéant un ou plusieurs réducteurs 34 et le cas échéant un ou plusieurs renvois d'angle. Dans le cas d'une porte d'écluse ou de retenue 30 d'eau, généralement de dimension conséquente, celle-ci est montée oscillante sur un arbre long 17 et on entraine le mouvement de la porte simultanément aux deux extrémités de celle-ci ; par conséquent, dans ce cas, la chaîne cinématique peut comprendre deux branches en sortie d'un 35 renvoi à fonction 'T' (renvoi double 34). Dans l'exemple illustré, l'organe moteur est un moteur électrique classique ayant une vitesse de rotation nominale de 1500 trs/min sous 220/380 volts. L'arbre 35 tourne lui aussi à ce régime lorsque le moteur est activé. Le réducteur 34 introduit une réduction par exemple de 50, et donc l'arbre 36 tourne à 30 trs/min. La réduction finale 32 introduit par exemple une réduction de 10, et donc la porte tourne à 0,05 tour/sec, soit 18 deg/sec, ou encore 3 trs/min. Dans un sens, i.e. lorsque la charge monte, on est 10 à l'encontre de la gravité, dans l'autre sens on accompagne la gravité ou même on freine avec l'organe moteur. Avantageusement, la chaîne cinématique 3 comprend un dispositif de limitation de vitesse 10 qui vient en prise avec la chaîne cinématique sur une portion de prise 15 31 d'un arbre tournant de la chaîne cinématique (ici l'arbre 35). La portion de prise pourrait tout aussi bien être agencée sur un autre arbre de la chaîne cinématique, ou même directement sur le rotor du moteur. Le dispositif de limitation de vitesse 10 est 20 engagé sur la chaîne cinématique 3 au niveau de ladite portion de prise 31 au moyen d'un engrènement 7 qui comprend un pignon 11 qui est solidaire en rotation de l'arbre 35 et engrène sur un autre pignon 12, ce dernier étant montré sur un premier arbre 74. Sur l'axe W de cet 25 autre pignon 12, le dispositif de limitation de vitesse 10 comprend un frein centrifuge 4 qui sera décrit en détails plus loin, et un embrayage 5 à manque de courant, interposé entre le frein centrifuge 4 et la portion de prise 31. L'embrayage à manque de courant peut être plus 30 généralement un embrayage à manque d'énergie 5 par exemple un embrayage multidisques hydraulique qui est fermé en l'absence de pression d'huile. Dans la version électrique telle que représentée, il s'agit d'un embrayage à manque de courant, qui comprend 35 un premier disque 51 solidarisé en rotation avec le premier arbre 74, et mobile axialement entre deux positions axiales, et un deuxième disque 52 situé en vis-à-vis, fixe axialement, et solidaire en rotation du frein centrifuge 4 via un deuxième arbre 75, centré sur l'axe W, coaxial au premier arbre 74. L'interface entre le premier disque 51 et le premier arbre 74 peut utiliser un montage à cannelures s'étendant axialement. Dans la première position axiale du premier disque 51, comme illustré à la figure 2A, celui-ci est au contact du deuxième disque 52, et ils sont par conséquent solidaires en rotation autour de W. Un système de rappel élastique à ressort rappelle le premier disque 51 vers cette première position axiale. Avantageusement on utilise comme moyen de rappel 15 élastique des ressorts 57 qui tournent avec le premier arbre 74. Dans la deuxième position axiale du premier disque 51, comme illustré à la figure 2, le premier disque 51 n'est pas au contact du deuxième disque 52 et donc le frein 20 centrifuge n'est plus solidaire de la chaine cinématique. En effet, l'embrayage à manque de courant comprend un dispositif d'électro-aimant 55 agencé de préférence en position non tournante. Ce dispositif, lorsqu'il est excité électriquement, attire le premier disque 51 vers sa 25 deuxième position. Ce dispositif comprend de préférence une pluralité d'électroaimants répartis de façon circonférentielle autour de l'axe W et agencés axialement à proximité du premier disque 51 et alimentés par des fils 58. 30 Par conséquent, lorsque les électro-aimants sont électriquement excités, alors les premier et deuxième arbres 74,75 peuvent tourner indépendamment, et il en résulte que le frein centrifuge est découplé des mouvements de la chaine cinématique. Inversement, en cas de manque de 35 courant (interruption de l'alimentation électrique), les premier et deuxième disques 51,52 reviennent en contact sous l'effet des ressorts 57, ainsi le frein centrifuge est automatiquement couplé avec la chaine cinématique au travers de l'embrayage et de l'engrènement 7. Le frein centrifuge 4 comprend des éléments 5 déplaçables 41 (aussi appelés 'masselottes'), déplaçables radialement sous l'effet de la force centrifuge et rappelés par des ressorts 47 en direction de l'axe. Au-delà d'une certaine vitesse, les éléments déplaçables 41 viennent au contact d'une zone de friction intérieure annulaire 42 fixe 10 en vis-à-vis ce qui produit un effet de freinage. Les éléments déplaçables 41 sont guidés dans un rotor du frein pour se déplacer principalement radialement et sont liés de façon circonférentielle audit rotor pour freiner le second arbre 75 par rapport au carter fixe du frein. 15 Il faut remarquer que dans le cas normal d'utilisation, à savoir lorsque l'alimentation en énergie est disponible, l'embrayage peut être ouvert et le frein centrifuge non couplé, en particulier lorsque le moteur 2 est commandé ou même lorsque le moteur est sous tension : 20 il n'y a donc quasiment pas de perte par frottements du fait de la présence du dispositif de limitation de vitesse 10. Il n'y a pas d'inertie de rotation supplémentaire non plus. Avantageusement, la vitesse d'intervention du frein 25 centrifuge correspond à une vitesse V2 sur l'arbre 35. Par ailleurs la vitesse nominale du moteur correspond à une vitesse V1 sur l'arbre 35. Avantageusement V2 est inférieure à V1, par exemple la valeur de V2 peut être choisie entre 1200 et 1400 trs/min pour une vitesse 30 nominale équivalente de V1 égale à 1500 trs/min. En conséquence de quoi la chaine cinématique peut être dimensionnée selon V1, voire 110 % de V1, notamment en ce qui concerne les couples et les sollicitations dynamiques dimensionnants. 35 V2 peut être aussi choisi beaucoup plus petit que V1, afin d'obtenir une arrivée douce sur la butée basse, par exemple le tiers ou le quart de V1. Selon une caractéristique optionnelle, la chaine cinématique peut comprendre en outre un frein 8 à manque de courant, situé de préférence sur l'arbre lent au plus près de l'organe mobile 1 sur la chaine cinématique, de manière à pouvoir intervenir en cas de défaillance d'un quelconque des éléments situés en amont de ce frein. Ce frein 8 permet d'immobiliser l'organe mobile 1 en cas de perte de courant, et ce de manière très fiable et très rapide. Ce frein à manque de courant est serré dès l'alimentation électrique générale n'est plus disponible. Mais une batterie électrique de secours est prévue pour pouvoir desserrer ce frein de sécurité, en particulier pour pouvoir affaler la charge ou l'organe mobile jusqu'à une position de sécurité, sous le contrôle du dispositif de limitation de vitesse 10 susmentionné. Sur la figure 3, une variante de configuration consiste à agencer le dispositif de limitation de vitesse 10 de façon perpendiculaire à la portion de prise. L'axe W est alors perpendiculaire à l'axe X de l'arbre 35. On peut alors intégrer un module de commande 20 avec le dispositif de limitation de vitesse 10 et le moteur, ce qui donne un avantage de compacité. A l'inverse, dans le premier mode illustré à la 25 figure 1, l'axe W est parallèle à l'axe X, ce qui est une alternative d'intégration mécanique. Selon la variante représentée, la chaîne cinématique comporte un tambour 14 sur lequel un filin ou câble 15 est enroulé, l'organe mobile étant ici formé par 30 une charge à soulever accrochée au filin 15. Selon un aspect avantageux, le dispositif de limitation de vitesse 10 est agencé à proximité du moteur 2, sur l'arbre rapide. En effet, la majorité de l'énergie cinétique de la chaine cinématique en rotation est stockée 35 dans le rotor du moteur, et il est avantageux d'avoir un 'chemin' court entre le moteur et le dispositif de limitation de vitesse. Cela favorise aussi le dimensionnement en couple au plus juste. Le dispositif de limitation de vitesse 10 peut être conçu comme un kit 'add-on', c'est-à-dire comme un 5 équipement qui peut être inséré en série à la sortie du moteur électrique, sur une chaine cinématique déjà conçue ou même déjà installée. L'intérêt est alors de limiter au maximum les études (pas de redimensionnement de la chaîne cinématique existante) et la durée d'intervention sur site 10 (intégration rapide d'un organe complet et compact immédiatement opérationnel). En cas d'interruption temporaire de l'alimentation électrique d'un ouvrage hydraulique sur un fleuve et d'un accroissement du débit du fleuve, il faut pouvoir protéger 15 l'intégrité mécanique de l'ouvrage en abaissant une vanne porte ou clapet pour augmenter le débit de déversement d'eau par-dessus la vanne. Ceci peut être obtenu en toute sécurité grâce à l'affalage sous le contrôle du dispositif de limitation de vitesse ; de préférence cela est opéré à 20 une vitesse inférieure à la vitesse nominale. En référence à la figure 4, il est représenté différents chronogrammes illustrant le comportement en cas de perte d'alimentation en énergie. Les courbes 91 et 92 (91 montre la vitesse de l'arbre rapide et 92 la vitesse de 25 l'arbre lent) représentent une descente de l'organe mobile dans un premier temps sous le contrôle de l'organe moteur jusqu'à la rupture d'alimentation intervenant au moment 90. À ce moment-là le frein à manque de courant 8 intervient et immobilise très rapidement l'organe mobile 1. 30 Le frein centrifuge 4 est lui aussi à ce moment accouplé automatiquement à la chaîne cinématique mais sans intervention effective à vitesse nulle. Au moment 95 où le frein 8 est desserré, alors la descente de l'organe mobile reprend sous le contrôle du frein centrifuge 4, à une 35 vitesse V2 de l'arbre rapide inférieur à la vitesse V1 de l'arbre rapide. De même la vitesse de déplacement V2' de l'arbre lent est alors plus faible que la vitesse de déplacement V1' de l'arbre lent sous le contrôle de l'organe moteur, qui est la vitesse de fonctionnement nominal. Si le mouvement précédent l'interruption de l'alimentation était une montée de l'organe mobile comme représenté sur la courbe 93, cela ne modifie pas le comportement du système après la coupure d'alimentation qui est identique à l'exemple précédent ; dans les deux cas on peut contrôler le déplacement de l'organe mobile vers une position de sécurité basse sans risque de dommages. Même dans le cas où le frein 8 à manque de courant n'est pas présent, dès lors que l'alimentation en énergie est interrompue, l'embrayage 5 couple immédiatement et automatiquement le frein centrifuge à la chaîne cinématique et la vitesse de déplacement de l'organe mobile rejoint la vitesse V2' (V2 pour l'arbre rapide) sans délai, moyennant quoi la chaîne cinématique reste toujours dans son domaine de dimensionnement 99 limité par la vitesse nominale V1 dans le sens positif et dans le sens négatif comme illustré la figure 4 ; il faut noter toutefois que l'homme de l'art dimensionne généralement la chaîne cinématique à 110 % de la valeur nominale V1. Le rapport de réduction de l'engrènement 7 peut valoir 1 (pignons 11 et 12 de même taille) ou peut être différent de 1 afin d'adapter au mieux les vitesses respectives du frein centrifuge et de l'arbre 35 de la portion de prise 31. REVENDICATIONS1. Système de commande et de limitation de vitesse pour contrôler le mouvement d'un organe mobile (1) soumis à la 5 gravité et/ou à une pression hydraulique, comprenant : - un organe moteur (2), - une chaîne cinématique (3) interposée entre l'organe moteur et l'organe mobile, - un dispositif de limitation de vitesse (10), apte 10 à limiter la vitesse de déplacement de l'organe mobile, en prise avec la chaîne cinématique sur une portion de prise (31) d'un arbre tournant de la chaîne cinématique, le dispositif de limitation de vitesse (10) comprenant : - un frein centrifuge (4), 15 - un embrayage à manque d'énergie (5), interposé entre le frein centrifuge (4) et la portion de prise (31), l'embrayage étant rappelé à l'état fermé en cas de manque d'énergie, pour mettre en engagement le frein centrifuge avec la chaîne cinématique, afin de limiter la vitesse de 20 déplacement de l'organe mobile. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la vitesse nominale de l'organe moteur correspond à une première vitesse (V1) sur la portion de prise, et le frein centrifuge présente une vitesse d'activation du 25 freinage correspondant à une deuxième vitesse (V2) sur la portion de prise, et la deuxième vitesse est inférieure à la première vitesse (V1). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel l'embrayage (5) est ouvert par apport d'énergie au 30 moins lorsque une commande de rotation est appliquée à l'organe moteur. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel l'organe mobile est une vanne/clapet d'un ouvrage hydraulique de type retenue d'eau. 35 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel le dispositif de limitation de mouvement estagencé à proximité de l'organe moteur. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel la source d'énergie est l'énergie électrique, l'organe moteur est un moteur électrique et l'embrayage (5) 5 est un embrayage à manque de courant. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel le frein centrifuge et l'embrayage sont disposés coaxialement. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7 10 dans lequel l'axe du frein centrifuge (W) est agencé perpendiculairement à l'axe de l'organe moteur (X). 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel la chaîne cinématique de transmission est équipée en outre un frein à manque de courant (8). 15 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9 dans lequel un réducteur auxiliaire (7) est interposé entre la portion de prise et l'embrayage.