Analyse de la force du chariot de levage : trois forces expliquées aux ingénieurs en équipement de levage

Pour un ingénieur de maintenance vérifiant un pont roulant de 5 tonnes, les forces qui maintiennent le chariot en place sur la poutre du pont ne sont pas de simples chiffres académiques. Un chariot de levage est soumis à trois forces dans un exercice statique typique : le poids du chariot lui-même, la charge suspendue au crochet et la traction de l'entraînement de déplacement. L'équilibre entre ces trois forces détermine si le chariot reste aligné, si le chariot d'extrémité supporte trop de charge et si le moteur de déplacement a suffisamment de couple pour démarrer et s'arrêter en douceur. Trouver cet équilibre est la première étape dans le choix d’un système de chariot fiable.

Ce que représentent réellement les trois forces dans un chariot de levage

Dans un modèle simplifié de force plane, le chariot est traité comme un corps rigide soumis à trois forces concurrentes. Le premier est le poids du chariot lui-même, y compris l'unité de levage, le châssis et les mécanismes de déplacement. La seconde est la traction verticale de la charge suspendue, transmise à travers le câble métallique ou la chaîne. La troisième est la force d'entraînement ou de freinage horizontale appliquée par le mécanisme de déplacement pour déplacer le chariot le long du pont roulant.

Chacun de ces composants possède une véritable source physique sur un pont roulant. L'angle auquel agit la force motrice, souvent noté α dans les problèmes des manuels scolaires, représente la direction de la force appliquée par rapport à l'horizontale. En pratique, cet angle dépend de la manière dont la force de traction est acheminée et de la manière dont le chariot est relié au pont et au sommier.

• Le poids propre du chariot est généralement la plus petite des trois forces, mais contribue néanmoins à la charge des roues.
• La charge suspendue constitue la force verticale dominante et détermine la sélection de la capacité du palan.
• La force motrice doit être suffisante pour vaincre la résistance au roulement, l'inertie et les éventuelles forces de freinage.

La méthode standard pour résoudre le problème des trois forces

Une fois que les directions et les amplitudes des forces sont connues, la solution suit la procédure standard pour un système de forces concurrentes coplanaires. La configuration commence généralement par résoudre chaque force en composantes x et y. Si la force P est appliquée selon un angle α avec l'horizontale, la force A agit horizontalement et la force B agit verticalement vers le bas, les équations d'équilibre sont simples :

Dans la direction x : P cos α A = 0.

Dans la direction y : P sin α − B = 0.

La résolution de ces deux équations donne P = B / péché α et A = − B cot α. Le signe négatif sur A indique simplement que la force horizontale doit s'opposer à la composante horizontale de P pour que le chariot reste en équilibre.

Le tableau ci-dessous montre comment la force requise P change à mesure que l'angle α change, en utilisant une charge verticale B de 400 lb comme entrée. Les chiffres exacts sont moins importants que la tendance qu'ils illustrent : un angle plus petit nécessite une force motrice plus importante, et un angle plus grand modifie la répartition de la charge sur le rail de la grue.

L’implication pratique est qu’une modification de α, même de 10 degrés, peut modifier l’ampleur de la force motrice requise de près de 20 pour cent. C’est pourquoi l’angle doit être défini avec soin dès le départ, et non traité après coup.

Comment l’analyse guide la sélection des composants

Une fois les forces résolues, les charges résultantes deviennent les données de conception des pièces mécaniques du chariot. La charge verticale de la roue est la principale entrée pour la sélection du sommier de la grue. La force motrice horizontale détermine le couple requis du moteur d'entraînement et la valeur nominale du bloc de roue de la grue. La charge suspendue, ainsi que les effets dynamiques, déterminent la capacité nominale du palan.

Dans un véritable système de grue, le sommier est fabriqué avec un empattement et un diamètre de rail définis pour correspondre aux charges de roue attendues. La sélection d'un sommier standard sans vérifier sa connexion au châssis du chariot et sa capacité à supporter la charge de roue calculée est une source courante de défaillance mécanique. Lorsqu'un chariot est soumis aux trois forces décrites dans l'analyse statique, le sommier supporte la plus grande part des réactions verticales. C'est pourquoi la gamme de produits de sommiers de grue de TBM est conçue avec des sections renforcées et des roulements de roue robustes pour gérer les combinaisons de forces verticales et horizontales.

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Considérations pratiques au-delà de l'équilibre statique

L’équilibre statique est le point de départ et non la réponse finale. Les limites de charge de travail, les facteurs de sécurité et les classifications de service influencent tous la sécurité d'une conception d'équipement pour un fonctionnement quotidien. Pour un palan électrique à câble à usage général, la norme européenne FEM ou une classification de service équivalente telle que ISO M3 à M5 est souvent utilisée pour définir le nombre d'heures par jour que le palan peut fonctionner à une charge donnée. Ce facteur de service n'est pas arbitraire ; cela affecte la taille du frein, la qualité du câble métallique et la capacité thermique du moteur.

Le problème des trois forces ne tient pas non plus compte du balancement de la charge, des forces du vent sur une grue extérieure ou de l'effet d'une piste inclinée. Ces charges supplémentaires doivent être prises en compte dans la conception globale du système de chariot. Le bloc de roue doit être évalué à la fois pour la charge statique et les forces horizontales provenant de la conduite et du freinage. Lorsque le chariot accélère ou s'arrête, l'inertie de la charge applique une force horizontale supplémentaire qui ne fait pas partie du problème statique du manuel. Cette force supplémentaire doit être absorbée par les boudins de roue et la chenille. Les blocs de roues de grue de TBM sont fabriqués avec des roues à brides durcies et des roulements étanches pour résister aux charges latérales répétées.

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Construire un système de chariot sûr avec le levage TBM

Du point de vue des composants, le problème des trois forces entre dans chaque étape d'un système de chariot. Le chariot d'extrémité doit supporter les charges des roues, les blocs de roues doivent supporter les forces de déplacement horizontales et le palan à câble doit être sélectionné avec la capacité de levage et la vitesse correctes. TBM Lifting construit le palan électrique à câble à hauteur standard SHA7 et le palan bipoutre SHA8 avec des configurations de style européen qui offrent des marges de capacité claires pour les applications de chariots industriels. Le gamme de palans électriques à câble est dimensionné en tenant compte du trajet de charge du chariot et des réactions des roues, de sorte que les points de connexion des composants sont conçus dès le départ pour supporter les forces calculées.

Lorsque vous spécifiez un système de chariot, commencez par le diagramme de force réel de votre installation. Déterminez la charge suspendue, la masse du chariot, la disposition des rails et l'angle de traction du mécanisme d'entraînement. Avec ces entrées de base, le calcul statique donne une plage claire de charges de fonctionnement. Associez ensuite ces charges à un palan et à un ensemble de composants de chariot d'extrémité construits pour les mêmes normes de service et de sécurité.

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Un chariot de levage est soumis aux trois forces dans ce problème de statique classique, mais la véritable valeur de ce calcul vient lorsqu'il est appliqué à la conception et à la sélection de l'équipement de levage réel. La méthode analytique que vous utilisez pour résoudre les charges est la même méthode qui détermine si un chariot fonctionnera sans problème, restera aligné sur son rail et atteindra sa durée de vie prévue. En adaptant la solution de force aux palans, chariots d'extrémité et blocs de roues correctement dimensionnés, vous pouvez éviter les pannes coûteuses dues à des composants sous-dimensionnés. Pour un calcul de force basé sur la disposition spécifique de votre chariot et de votre grue, contactez le Equipe technique du tunnelier .