Des vérins à grande vitesse dans les métiers à tisser -
De 0 à 30 m/s avec 850 g

L'utilisation de vérins de haute vitesse dans les métiers à tisser

L'hydraulique a permis d'accroître la performance de métiers à tisser chez Jäger à Münster. Ces équipements, dans la fabrication desquels s'est spécialisée la société westphalienne, produisent des toiles en matière synthétique ultra résistante pour machines à papier. A cet effet, une navette est propulsée sur des distances de jusqu'à 30 mètres au moyen d'un vérin hydraulique spécial développé par Hänchen.

Les exigences concernant la fiabilité du système sont extrêmes : la réalisation d'une telle toile prend cinq à six jours en 3 x 8. Pendant ce temps, la machine ne peut être arrêtée pendant plus de 10 à 15 minutes, car les forces de tension générées lors du tissage sont telles qu'une interruption prolongée aurait pour effet de déformer la toile. Les coûts occasionnés par un tel incident sont des sommes à cinq chiffres au moins.

Malgré la sévérité des exigences de qualité, on souhaitait obtenir une nette amélioration de la performance des machines en augmentant considérablement la fréquence de propulsion de la navette. Sur une distance de propulsion de 12 à 30 mètres, la vitesse joue à cet égard un rôle déterminant. Le mécanisme à levier classique, dont le principe n'avait pas été modifié depuis la fondation de la société au siècle dernier, avait atteint ses limites physiques avec 15 à 18 m/s. Les machines test travaillant à des cadences plus élevées présentaient rapidement des défaillances dues à l'usure des leviers de battage. En plus, l'augmentation du niveau sonore incommodait fortement le personnel.

Il existait ainsi trois possibilités pour la nouvelle construction Jäger, placée sous la responsabilité de l'ingénieur diplômé Dieter Hambrock : premièrement, le perfectionnement du mécanisme à levier, pratiquement impossible. Seule une amélioration de quelque pour cent aurait été envisageable et ce, au prix de grands efforts. Par ailleurs, le problème du bruit se serait accentué. La deuxième solution consistait à mettre en œuvre des techniques électromécaniques, avec l'inconvénient d'une faible puissance volumique au lieu d'application et, notamment, sur la navette devant être accélérée. Les gains de performance réalisables avec l'hydraulique, la troisième approche, convainquaient peu de monde à l'époque de la décision, à la fin des années 70 / au début des années 80. Mais, accompagnées d'un développement approprié, les possibilités physiques de cette technique semblaient autoriser un net accroissement de la productivité du métier à tisser. Et l'élaboration de vérins de haute vitesse a confirmé cette estimation. En l'espace de dix ans environ, il a été possible de doubler, grâce à l'hydraulique, la performance système dans un secteur de la construction mécanique classique.

Ce perfectionnement a permis au fabricant de Münster de défendre sa position de leader, fruit de la qualité des produits et de l'expérience. L'exportation mondiale, qui représente 80 % du chiffre d'affaires réalisé par les quelque 200 collaborateurs, occupe une place décisive chez Jäger. En matière de développement hydraulique, Hambrock et l'ingénieur diplômé Axel Hundertmark, responsable technique général et fondé de pouvoir de la société, voulaient s'assurer les services d'un partenaire compétent. Hänchen Hydraulik GmbH avait déjà mis au point des vérins de haute vitesse pour séparer sans formation d'étincelles des contacts conducteurs soumis à de hautes tensions et à un courant de forte intensité. Par ailleurs, le spécialiste souabe disposait d'une grande expérience dans la fabrication de vérins de série et de modèles spéciaux. L'atout de Hänchen réside dans l'offre d'une gamme extrêmement étendue qui a été complétée et redéfinie avec l'introduction d'un catalogue électronique sur CD-ROM. La plupart des domaines d'application classiques de vérins spéciaux sont aujourd'hui couverts par les cylindres standard et produits catalogue modifiés de cet hydraulicien. Hans-Dieter Fabrowsky, responsable des ventes chez Hänchen, précise que les modèles de série sont soumis aux mêmes normes de qualité que les constructions spéciales. Ces dernières génèrent cependant des coûts beaucoup plus élevés et chaque vérin spécial est en fait un prototype qui, à ce titre, présente des risques. On ne peut cependant dissocier la fabrication de vérins de série et celle de versions spéciales, les deux se nourrissant mutuellement. Pour Hänchen, la construction de vérins spéciaux crée l'environnement où la collaboration avec le client repousse, dans la mise au point de solutions techniques de haut niveau, régulièrement les limites des capacités des systèmes hydrauliques. Le vérin spécial de haute vitesse utilisé par Jäger a mené à la conception de modèles atteignant 40 m/s. Des vitesses de 30 m/s font entre-temps partie des standards Jäger pour les métiers de hautes performances. Et à Münster aussi, on explore avec Hänchen les possibilités de réalisation d'installations plus rapides, en escomptant des gains de productivité de 20 % dans un proche avenir.

La fiabilité avec laquelle les composants Hänchen participent aux performances standard actuelles des machines Jäger se reflète dans les 5 millions de cycles de charge annuels par vérin, la garantie de 1 an et l'application d'un intervalle moyen de 5 ans pour les grandes révisions. Un tel vérin déplace par conséquent 25 millions de fois la navette du métier à 108 km/h avec un freinage consécutif du piston et de la tige. La distance d'accélération se réduit à environ 380 mm, et le système doit supporter des pressions de jusqu'à 1000 bars, tout comme des forces d'accélération de jusqu'à 850 g, ce qui représente 850 fois la force de gravité. Cette forte accélération s'associe à une précision de positionnement de 0,1 mm. A la fin du freinage, la tige du piston est placée de façon à pouvoir recevoir la navette projetée de l'autre côté. Le système freine alors ; la navette et le piston sont de nouveau amenés à la position de départ par contact de la tige avec la navette. Et le cycle redémarre.

Il a fallu résoudre de nombreux problèmes de détail pour obtenir cette performance. La tribologie et l'hydrodynamique sont des éléments d'étude essentiels lorsqu'il s'agit de transporter 30 litres de fluide par seconde, soit 1,8 m_ par minute, sous de telles pressions sans qu'une seule goutte ne tombe sur la toile. Même un brouillard d'huile fin ou des particules libérées par l'usure des joints peuvent détériorer le tissu high tech. Le vérin est complété par des joints spéciaux et un bloc de commande muni de soupapes à cartouches. Cette unité fonctionnelle se caractérise par une puissance volumique qui reste inaccessible à d'autres technologies et joue un rôle très important au niveau de la construction. Le système de haute vitesse s'appuie sur le battant du métier, dont les mouvements s'effectuent plus rapidement avec une construction légère. Cette installation optimise l'écoulement du fluide, qui, malgré les hautes performances, n'exige qu'une pompe de 7,5 kW en combinaison avec des réservoirs haute capacité spécialement conçus à cet effet.

Les pertes thermiques sont très faibles par rapport à la performance du système, la dissipation de puissance, un problème majeur dans l'utilisation d'un vérin de haute vitesse, l'est aussi. Le système est commandé par un API autorisant des temps de commutation de 10 à 15 ms. Cette unité hautement précise intégrant le bloc de commande et les soupapes veille à ce que chaque action se déroule au bon moment. On notera à cet effet l'adaptation de tous les éléments à la précision du système et leur capacité à transporter de très grands volumes d'huile en un minimum de temps, avec des pertes de pression minimales dans les vérins.

Des problèmes tribologiques et hydrodynamiques sont notamment apparus en relation avec l'unité de haute vitesse, constituée de deux vérins hydrauliques en file. L'un des deux éléments, le vérin de positionnement, amène la tige de piston du vérin haute vitesse proprement dit, le vérin de percussion, en position de réception et de propulsion. Ce dernier propulse la navette et la réceptionne à son retour. Cette construction complexe a dû être optimisée au niveau de l'écoulement sans toutefois affaiblir de la résistance des différents composants du vérin. La recherche de nouvelles combinaisons d'étanchéité a occupé une place déterminante à cet égard. En outre, on a développé un nouveau concept d'amortissement permettant de freiner la tige de piston accélérée pour la propulsion de la navette sans provoquer une détérioration rapide de la tige et du vérin. Pour finir, il a fallu adapter les raccords des conduites, du bloc de commande et des soupapes afin d'éviter des pertes d'écoulement au niveau des interfaces.

Pour Jäger, l'étroite collaboration avec Hänchen a revêtu une importance décisive tout au long des différentes étapes d'élaboration du système et d'intégration des composants. Le fabricant de Münster estime que c'est cette coopération, tout spécialement pendant la phase de développement, qui fut la clé du succès de ce projet. Chaque partie a fait profiter l'autre de ses expériences et les problèmes ont été discutés ensemble en vue de leur résolution. De nombreuses améliorations ont ainsi été obtenues à travers des essais. Car le savoir théorique et les formules de construction couvrent seulement peu d'effets dans ces domaines extrêmes. Aussi, les connaissances et compétences techniques se sont-elles appuyées sur la forte motivation des concepteurs ainsi que sur divers tests dans la réalisation de cet objectif. La créativité technique du tandem client-fournisseur a constitué la base du succès.

Jörg Beyer