Brevet FR3036793A1 — publié le 20161202

DISPOSITIF DE MESURE D'UNE CONTRAINTE DE TRACTION DANS UN CABLE MECANIQUE DE LEVAGE ET PROCEDE DE PESAGE D'UNE CHARGE AU MOYEN D'UN TEL DISPOSITIF DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un dispositif de mesure d'une contrainte de traction dans un câble mécanique de levage ainsi qu'un procédé de pesage d'une charge au moyen d'un tel dispositif. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION La mesure de la charge levée par un appareil de levage revêt un intérêt particulier en termes de sécurité, puisqu'une grande partie des accidents survenant lors du levage d'une charge provient de la tentative de lever une charge supérieure à la charge maximale qu'il est possible de lever avec l'appareil. Pour y remédier, on cherche à mesurer de manière aussi précise que possible la charge à lever. Le document VVO 2007/138418 décrit un organe de levage destiné à être relié d'une part à l'appareil de levage et d'autre part à la charge à lever, comprenant un tronçon apte à s'allonger élastiquement sous l'action d'un effort de levage de la charge. Ce tronçon comprend un canal s'étendant dans la direction de l'effort de levage, dans lequel est fixé un capteur optique de contraintes. Le capteur optique de contraintes est couplé à une source lumineuse et à un dispositif de réception et d'analyse du signal lumineux émis par le capteur de contraintes. Lorsque le tronçon s'allonge, le capteur optique de contraintes subit également une variation de longueur, qui se traduit par une variation du signal émis par le capteur optique de contraintes. A partir de cette variation, il est possible de calculer les contraintes mécaniques induites par la charge dans l'organe de levage, qui sont liées à la masse de ladite charge. L'organe de levage remplit alors la fonction de mesure de la masse de la charge, au plus proche de ladite charge. Un tel organe de levage est avantageusement un verrou tournant, plus communément appelé « twistlock » en anglais, qui est utilisé couramment dans les appareils de manutention portuaire pour le levage et la manutention de conteneurs. Un inconvénient de ce système est que l'allongement du tronçon n'est pas uniquement lié au poids de la charge mais également, de manière significative, à la température ambiante. Il en résulte une imprécision significative de la mesure effectuée. Un autre inconvénient de ce système est que l'organe de levage est un composant susceptible d'être endommagé rapidement du fait des chocs et autres contraintes subies lors de son utilisation. L'organe de levage est donc amené à être remplacé fréquemment, le capteur optique de contraintes, qui est fixé dans celui-ci, étant donc perdu. 3036793 2 BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION Un but de l'invention est de concevoir un dispositif de mesure qui permette de s'affranchir des inconvénients des dispositifs précités et qui permette notamment de 5 mesurer une charge de manière plus fiable et avec une plus grande précision que les dispositifs existants. Conformément à l'invention, il est proposé un dispositif de mesure d'une contrainte de traction dans un câble mécanique de levage, caractérisé en ce qu'il comprend : - deux brides destinées à être rigidement fixées au câble, 10 - au moins une tige s'étendant entre lesdites brides et présentant un canal longitudinal intérieur destiné à s'étendre parallèlement au câble, - un capteur optique de contraintes agencé dans ledit canal longitudinal et fixé à la paroi latérale dudit canal, - des moyens de liaison du capteur optique de contraintes à une source lumineuse 15 destinée à émettre un signal lumineux vers le capteur optique de contraintes, - une unité de réception et d'analyse du signal lumineux renvoyé par le capteur de contraintes, configurée pour déterminer, à partir dudit signal, l'allongement du câble et/ou la contrainte mécanique de traction dans ledit câble lors du levage d'une charge. Ce dispositif permet donc de s'affranchir de l'organe de levage pour la mesure de 20 contrainte dans le câble. De manière particulièrement avantageuse, ledit capteur optique de contraintes comprend une fibre optique. Selon une forme d'exécution préférée, la fibre optique comprend un réseau de Bragg. 25 De manière alternative, le capteur optique de contraintes comprend un capteur de distance à laser configuré pour produire un signal image de l'allongement de la tige. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend au moins deux tiges s'étendant entre les brides et agencées de part et d'autre du câble, chaque tige présentant un canal longitudinal intérieur dans lequel un capteur optique de contraintes est agencé en étant 30 fixé à la paroi latérale dudit canal. Selon un mode de réalisation, la tige est reliée à chaque bride par une rotule. De manière particulièrement avantageuse, l'unité de réception et d'analyse est configurée pour, à partir de l'allongement du câble et/ou de la contrainte mécanique de traction dans ledit câble, déterminer la masse de la charge levée par le câble. 35 Un autre objet concerne un appareil de levage comprenant un câble mécanique de levage et un dispositif de mesure tel que décrit ci-dessus dont les brides sont fixées à une partie fixe dudit câble. Ledit appareil de levage peut être un portique de manutention ou une grue. 3036793 3 Un autre objet concerne un procédé de pesage d'une charge levée par un câble mécanique de levage présentant des caractéristiques mécaniques connues, caractérisé en ce qu'il comprend : - la fixation, sur une partie fixe dudit câble, des brides d'un dispositif de mesure tel 5 que décrit ci-dessus, - l'accrochage d'une charge au câble et le levage de la charge, - au moyen du capteur optique de contraintes, la détermination de l'allongement du câble et/ou la contrainte mécanique de traction dans ledit câble, - la détermination, à partir des caractéristiques mécaniques dudit câble, de la masse 10 de la charge. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels : 15 - la figure 1 est une vue d'ensemble d'un appareil de levage comprenant un dispositif de mesure de contrainte conforme à l'invention, - la figure 2 est un schéma d'un dispositif de mesure de contrainte selon un mode de réalisation de l'invention, en vue de face, de côté et de dessus, - la figure 3 est un schéma d'un dispositif de mesure de contrainte selon un autre 20 mode de réalisation de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La figure 1 illustre de manière schématique un appareil de levage 1 comprenant un dispositif 2 de mesure de la contrainte de traction dans un câble mécanique dudit 25 appareil. L'appareil de levage représenté sur la figure 1 est un portique de manutention, utilisé par exemple dans un port, mais l'invention s'applique à tout autre appareil de levage muni de câbles, tel qu'une grue par exemple, quel que soit le domaine d'utilisation (manutention portuaire, génie civil, etc.). 30 Le dispositif 2 de mesure de contrainte est agencé sur la partie fixe du câble mécanique de levage 10. A cet effet, comme illustré sur la figure 2, le dispositif 2 comprend deux brides 20, 21 destinées à être rigidement fixées sur le câble 10. Chaque bride est réalisée par exemple en deux parties 20a, 20b s'étendant de part 35 et d'autre du câble 10, chaque partie comprenant une cavité semi-cylindrique 200 de réception du câble 10, dont le rayon est étroitement ajusté à celui du câble de manière à exercer un effort de serrage sur le câble lorsque les deux parties 20a, 20b sont assemblées, et deux bras 201, 202 de part et d'autre de la cavité 200, chaque bras étant 3036793 4 percé de trous 203 (au nombre de deux sur la figure 2, sans que cela soit limitatif) pour la mise en place de boulons. Tout autre moyen de fixation rigide sur le câble pourra être utilisé sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. 5 Le dispositif 2 de mesure de contrainte comprend au moins une tige creuse 22 ou un barreau percé s'étendant entre les deux brides 20, 21 et rigidement fixée à chacune d'elles, la tige 22 s'étendant parallèlement au câble 10. La tige 22 comprend un canal longitudinal 221 ouvert à au moins une des extrémités 220 de la tige. Un capteur optique de contraintes 23 est inséré dans le canal longitudinal 10 221 et est fixé à la paroi latérale du canal longitudinal. La fixation à la paroi latérale du capteur optique de contraintes peut s'effectuer à l'aide d'une résine époxy d'usage courant ou tout autre moyen de fixation approprié. Dans le mode de réalisation de la figure 2, le canal longitudinal 221 est borgne, c'est-à-dire qu'il s'ouvre uniquement à une extrémité 220 de la tige. De manière alternative (non illustrée), le canal est traversant, 15 c'est-à-dire ouvert aux deux extrémités de la tige, ce qui permet par exemple de faciliter l'introduction et/ou l'extraction du capteur optique de contraintes. Des moyens de liaison 3 sont prévus pour transmettre les signaux du capteur optique de contraintes 23 à, d'une part, une source lumineuse (non illustrée) destinée à émettre un signal lumineux vers le capteur et, d'autre part, une unité de réception et 20 d'analyse (non illustrée) des signaux du capteur optique de contraintes. L'unité de réception et d'analyse comprend en particulier un processeur configuré pour mettre en oeuvre les calculs nécessaire à la détermination de l'allongement du câble et/ou de la contrainte de traction dans ledit câble et de la masse de la charge levée par celui-ci. En particulier, le processeur est configuré en fonction de la configuration du câble (brin 25 simple ou mouflage formant plusieurs brins) et du type de dispositif destiné à saisir la charge. Par exemple, les conteneurs sont saisis à leur quatre coins supérieurs par un dispositif dénommé « spreader », qui peut être simple ou double. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, le capteur optique de contraintes est fixé à la paroi latérale du canal longitudinal selon deux zones de fixation 23a, 23b 30 situées à distance l'une de l'autre selon la direction longitudinale du canal longitudinal 221. Lors du levage d'une charge par l'intermédiaire du câble de levage, la tige 22 s'allonge élastiquement sous l'effort de levage. Le capteur optique de contraintes 23, étant fixé à la paroi latérale du canal longitudinal selon les zones de fixation 23a, 23b, 35 subit également une variation de longueur. Cette variation de longueur fait varier les signaux du capteur optique de contraintes envoyés à l'unité de réception et d'analyse par les moyens de liaison 3. La variation des signaux du capteur optique de contraintes est directement liée à l'allongement subi par le capteur optique de contraintes. 3036793 5 Cet allongement est considéré comme sensiblement égal à l'allongement élastique de la tige 22 entre les zones de fixation 23a, 23b. En connaissant les matériaux qui constituent la tige et le câble et leurs caractéristiques mécaniques, il est possible d'en déduire de façon simple, par un calcul bien connu de l'homme du métier, la contrainte de 5 traction induite par la charge dans le câble. Cette contrainte est directement liée au poids de la charge accrochée au câble de levage. Il est ainsi possible de connaître également le poids de la charge soulevée par l'appareil de levage. Dans le cas d'un mouflage (c'est-à-dire de l'agencement d'un câble en plusieurs brins), l'effort induit par la charge est réparti sur l'ensemble des brins. Dans ce cas, la 10 contrainte mécanique mesurée doit être multipliée par le nombre de brins pour déterminer la charge. La tige 22 étant déportée par rapport au câble 10, la mesure d'allongement est susceptible d'être affectée par une éventuelle flexion du câble 10. Pour compenser une telle flexion, le dispositif comprend avantageusement, comme illustré sur la figure 2, deux 15 tiges 22 (ou, plus généralement, un nombre pair de tiges) contenant chacune un capteur optique de contraintes 23, lesdites tiges 22 étant diamétralement opposées par rapport au câble 10. On peut alors calculer un allongement moyen égal à la moyenne des allongements mesurés par chacun des capteurs. Par ailleurs, l'utilisation de plusieurs capteurs 23 procure une redondance qui 20 sécurise la mesure d'allongement, en permettant une mesure même en cas de défaillance d'un capteur. Le câble 10 étant tenu à son extrémité fixe, il subit en principe peu de contraintes de torsion. Par conséquent, l'allongement mesuré est essentiellement dû au poids de la charge. Cependant, pour éviter qu'une éventuelle torsion du câble n'affecte la mesure, on 25 peut mettre en oeuvre une variante du dispositif de mesure de contrainte telle qu'illustrée sur la figure 3. Dans ce mode de réalisation, on crée dans une partie du câble une boucle ouverte 11 et on agence le dispositif 2 de mesure de contrainte entre les deux extrémités 110, 111 de ladite boucle 11, en le fixant par les brides 20, 21. La tige 22 contenant le capteur de 30 mesure de contraintes est reliée aux brides 20, 21 par deux rotules 24, 25. Ainsi, une éventuelle torsion du câble 10 n'est pas transmise à la tige et au capteur optique de contraintes, qui ne mesure donc que l'allongement lié au poids de la charge. La taille de la boucle 11 dépend de la raideur du câble. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le capteur optique de 35 contraintes comprend une fibre optique. Dans un tel capteur optique de contraintes à fibre optique, la fibre optique est rendue solidaire de la paroi latérale du canal longitudinal selon les première et seconde zones de fixation, un tronçon intermédiaire de fibre optique étant situé entre les deux zones de fixation. Lors d'un allongement sous charge de la tige, 3036793 6 il se produit un même allongement du tronçon intermédiaire de fibre optique, et cet allongement produit une variation correspondante des propriétés optiques de la fibre optique. En envoyant dans la fibre optique une onde lumineuse appropriée, on peut déceler, par l'analyse de l'onde réfléchie, cette variation de longueur de la tige, et en 5 déduire la charge supportée par le câble de levage. En pratique, la fibre optique peut s'étendre au-delà de la tige jusqu'à un boîtier contenant à la fois la source lumineuse et l'unité de réception et d'analyse des signaux du capteur optique de contraintes. La fibre optique peut avantageusement être protégée par une gaine. Par exemple, la fibre optique peut avoir un diamètre d'environ 0,2 mm, et peut être protégée par une 10 couche de cire enveloppée d'une couche de caoutchouc, elle-même enveloppée d'une tresse métallique également enveloppée d'une couche de caoutchouc, l'ensemble ayant un diamètre d'environ 5 mm. Une telle fibre peut être fléchie jusqu'à des rayons possibles d'environ 10 cm, ce qui permet de l'associer parallèlement à d'autres moyens de connexion tels que des câbles électriques et des tubes flexibles d'alimentation 15 hydraulique. Le boîtier peut être déporté à une distance de 5 à 10 m de la tige, sans perte d'efficacité du dispositif de mesure de contrainte. Dans la zone destinée à être insérée dans la tige du dispositif de mesure de contrainte, la fibre optique peut être collée dans un tube métallique lui-même collé dans le canal longitudinal. De manière particulièrement avantageuse, le capteur optique de contraintes 20 comprend une fibre optique à réseau de Bragg. Il s'agit d'un capteur dans lequel une fibre optique à mode unique comporte un tronçon dont l'indice de réfraction a été modulé périodiquement selon un pas déterminé le long de la fibre optique par un rayonnement ultraviolet intense. Le tronçon de fibre à indice de réfraction modulé périodiquement est appelé réseau de Bragg. Ce réseau de Bragg produit une réflexion des ondes lumineuses 25 parcourant la fibre optique, à une longueur d'ondes appelée longueur d'ondes de Bragg, qui est sensiblement égale au double du pas de modulation de l'indice de réfraction le long de la fibre optique dans le réseau de Bragg. Par conséquent, la longueur d'ondes de lumière réfléchie par le réseau de Bragg est sensiblement proportionnelle à la distance entre deux variations d'indice de réfraction dans la fibre optique, et toute variation dans 30 cette distance, par suite d'un allongement par exemple, peut être détectée par la mesure de la longueur d'onde de lumière réfléchie. D'autres types de capteurs d'allongement à fibre optique peuvent toutefois être utilisés, par exemple un capteur à interféromètre de Fabry-Perot. L'utilisation d'un capteur optique de contraintes à fibre optique permet de réaliser 35 une mesure rapide et de haute fiabilité. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le capteur optique de contraintes peut comprendre un capteur de distance à laser configuré pour produire un signal image de l'allongement de la tige. Dans ce cas, une diode laser émet, à l'entrée du canal 3036793 7 longitudinal borgne, des impulsions de lumière qui sont réfléchies au voisinage du fond du canal, et un capteur reçoit l'onde réfléchie. On mesure alors le temps de transit de la lumière en aller-retour dans le canal longitudinal, pour en déduire sa longueur et son allongement éventuel sous l'action d'une charge. 5 Un tel capteur de distance à laser peut être similaire à ceux couramment utilisés pour la mesure de courtes distances. L'utilisation d'un capteur optique de contraintes permet, de par sa réactivité et sa rapidité de mesure, de mesurer des contraintes transitoires élevées pouvant apparaître très brièvement lors de chocs et de vibrations se produisant au cours d'une opération de 10 levage, et sans que le capteur optique de contraintes ne soit détérioré par ces chocs ou vibrations. De manière avantageuse, les zones de fixation sont disposées dans une zone de diamètre constant de la tige. Cette zone ayant un diamètre constant, elle s'allonge de façon linéaire en fonction de la charge fixée au câble de levage. 15 On connaît ainsi aisément la contrainte induite dans le câble de levage et le poids de la charge, sans calcul supplémentaire. Par ailleurs, le dispositif de mesure de contrainte est agencé sur l'appareil de levage dans une région moins sujette à des variations de température que les organes de type « twistlock » décrits dans le document VVO 2007/138418. En effet, dans un port, ces 20 twistlocks sont situés au plus près des conteneurs et des bateaux sur lesquels les conteneurs doivent être chargés ou déchargés, qui forment des sources thermiques susceptibles de faire varier sensiblement la température du dispositif de mesure de contrainte. Au contraire, dans l'invention, le dispositif de mesure de contrainte est généralement éloigné de telles sources thermiques et est donc moins soumis à des 25 variations importantes de température. D'autre part, pour une même charge à lever, l'allongement du câble est plus important que celui des twistlocks, ce qui rend moins sensible l'influence de la température. Il en résulte que la contribution de la température à l'allongement est plus faible pour 30 le dispositif de mesure de contrainte selon l'invention que dans le cas des twistlocks précités. Par ailleurs, dans la mesure où la longueur de câble disponible pour l'installation du dispositif de mesure de contrainte est plus grande que la longueur des twistlocks, l'homme du métier a davantage de latitude pour dimensionner le dispositif et notamment 35 le capteur optique de contraintes. En tout état de cause, il est possible de rendre la mesure de la contrainte de traction indépendante des écarts de température de façon simple à l'aide de formules mathématiques, comme il est indiqué dans le document VVO 86/01303. De manière 3036793 8 alternative, on peut utiliser un capteur optique de contraintes à fibre optique supplémentaire, libre de toute contrainte et non soumis à une charge, afin de se servir de son signal pour compenser les variations de température. A titre purement indicatif, dans le mode de réalisation de la figure 2, pour un câble 5 d'environ 30 mm de diamètre, le diamètre de la tige 22 est compris entre 8 et 15 mm, le diamètre de la fibre optique du capteur optique de contraintes est de l'ordre de 3 mm, et la longueur du capteur optique est comprise entre 100 et 300 mm. Dans le cas où l'appareil de levage comprend plusieurs câbles mécaniques de levage, on agence de préférence un dispositif de mesure de contrainte sur chaque câble. 10 Ainsi, une éventuelle différence d'allongement des différents câbles traduit une différence de tension des câbles, ce qui permet d'alerter sur un possible dysfonctionnement de l'appareil de levage ou un défaut du chargement. Le dispositif de mesure de contrainte étant installé à demeure sur l'appareil de levage, un étalonnage du dispositif au moment de l'installation sur l'appareil de levage est 15 suffisant. On évite ainsi une immobilisation coûteuse de l'appareil de levage. Pour étalonner le dispositif de mesure de contrainte, on met le dispositif à zéro en l'absence de charge, puis l'on accroche au câble une charge connue et on mesure l'allongement mesuré. On calibre alors le dispositif de mesure pour associer l'allongement mesuré à la masse de la charge connue. L'allongement variant linéairement avec la 20 charge, cet étalonnage permet ensuite de déterminer la masse de toute charge levée ultérieurement. Une application avantageuse mais non limitative de la mesure de l'allongement du câble est le pesage des conteneurs dans les ports. En effet, les normes dans les installations portuaires deviennent de plus en plus 25 strictes afin d'assurer la sécurité des appareils de levage d'une part, et du chargement des bateaux d'autre part. Ainsi, il devient nécessaire de connaître avec une précision améliorée la masse des conteneurs. Grâce à la précision de mesure améliorée, l'invention permet un tel pesage. On notera que les twistlocks instrumentés tels que décrits dans le document VVO 30 2007/138418 pourront continuer à être utilisés en combinaison avec un dispositif de mesure de contrainte selon l'invention, car ces twistlocks permettent, d'une part, de s'assurer que chaque twistlock est bien verrouillé avant le levage du conteneur et, d'autre part, de déterminer le centre de gravité du conteneur. Le dispositif de mesure de contrainte peut éventuellement être relié à un dispositif 35 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 détecterait une charge supérieure à la charge maximale qui peut être soulevée par l'appareil de levage, ou supérieure à la charge maximale que peut soulever sans danger l'appareil de levage. 3036793 9 REFERENCES VVO 2007/138418 REVENDICATIONS1. Dispositif (2) de mesure d'une contrainte de traction dans un câble mécanique de levage (10), caractérisé en ce qu'il comprend : - deux brides (20, 21) destinées à être rigidement fixées au câble (10), - au moins une tige (22) s'étendant entre lesdites brides (20, 21) et présentant un canal longitudinal intérieur (221) destiné à s'étendre parallèlement au câble (10), - un capteur optique de contraintes (23) agencé dans ledit canal longitudinal (221) et fixé à la paroi latérale dudit canal, - des moyens (3) de liaison du capteur optique de contraintes à une source lumineuse destinée à émettre un signal lumineux vers le capteur optique de contraintes, - une unité de réception et d'analyse du signal lumineux renvoyé par le capteur de contraintes, configurée pour déterminer, à partir dudit signal, l'allongement du câble et/ou la contrainte mécanique de traction dans ledit câble lors du levage d'une charge. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur optique de contraintes (23) comprend une fibre optique. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fibre optique 20 comprend un réseau de Bragg. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur optique de contraintes comprend un capteur de distance à laser configuré pour produire un signal image de l'allongement de la tige. 25 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux tiges (22) s'étendant entre les brides (20, 21) et agencées de part et d'autre du câble (10), chaque tige présentant un canal longitudinal intérieur (221) dans lequel un capteur optique de contraintes (23) est agencé en étant fixé à la paroi 30 latérale dudit canal. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la tige (22) est reliée à chaque bride (20, 21) par une rotule (24, 25). 35 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'unité de réception et d'analyse est configurée pour, à partir de l'allongement du câble et/ou de la contrainte mécanique de traction dans ledit câble, déterminer la masse de la charge levée par le câble. 3036793 11 8. Appareil de levage (1) comprenant un câble mécanique de levage (10) et un dispositif (2) de mesure selon l'une des revendications 1 à 7 dont les brides (20, 21) sont fixées sur une partie fixe dudit câble. 5 9. Appareil de levage selon la revendication 8, consistant en un portique de manutention. 10. Appareil de levage selon la revendication 8, consistant en une grue. 10 11. Procédé de pesage d'une charge levée par un câble mécanique de levage (10) présentant des caractéristiques mécaniques connues, caractérisé en ce qu'il comprend : - la fixation, sur une partie fixe dudit câble (10), des brides (20, 21) d'un dispositif de mesure selon l'une des revendications 1 à 7, 15 - l'accrochage d'une charge au câble (10) et le levage de la charge, - au moyen du capteur optique de contraintes, la détermination de l'allongement du câble et/ou la contrainte mécanique de traction dans ledit câble, - la détermination, à partir des caractéristiques mécaniques dudit câble, de la masse de la charge. 20