Machine de construction

Une machine de chantier est une machine de travail destinée aux travaux de terrassement, de voirie, de génie civil ou de bâtiment, dont les fonctions principales d’entraînement et de commande reposent sur des systèmes hydrauliques. Les machines de chantier hydrauliques transforment la pression d’un fluide en force mécanique et en mouvement, ce qui leur permet de venir à bout de charges difficilement réalisables avec des entraînements purement mécaniques.

L’hydraulique comme technologie d’entraînement dans les engins de chantier

Sans l’hydraulique, les engins de chantier modernes seraient inconcevables. L’hydraulique fournit la densité de puissance élevée nécessaire pour soulever des charges lourdes, ameublir le sol ou déplacer des engins entiers à l’aide de chenilles. Un moteur à combustion interne seul ne peut pas accomplir directement ces tâches. Ce n’est que la conversion de la puissance mécanique en énergie hydraulique sous pression et sa distribution via des valves et des conduites qui rendent possibles les multiples mouvements de travail d’un engin de chantier.

Presque toutes les machines de chantier sont équipées d’un circuit hydraulique central alimenté par une ou plusieurs pompes. La pompe aspire l’huile hydraulique du réservoir et la refoule sous haute pression vers les consommateurs. Selon le type de machine et la tâche à accomplir, différents types de circuits sont utilisés, allant de simples circuits ouverts à des systèmes à détection de charge qui adaptent le débit en fonction des besoins et permettent ainsi d’économiser de l’énergie.

Principaux types d’engins de chantier et leurs systèmes hydrauliques

Le monde des engins de chantier est varié, et chaque type de machine impose ses propres exigences au système hydraulique. Les sections suivantes donnent un aperçu des principaux types et de leurs particularités hydrauliques.

Pelle hydraulique

La pelle hydraulique est l’engin de chantier le plus répandu. Son équipement de travail caractéristique se compose d’une flèche, d’un bras et d’un godet, qui sont exclusivement actionnés par des vérins hydrauliques. Un système hydraulique à double effet alimente les vérins en huile sous pression des deux côtés du piston, permettant ainsi des mouvements puissants vers l’avant et vers l’arrière. Le mouvement de rotation de la tourelle est assuré par un moteur de pivotement, et le train de chenilles est également entraîné hydrauliquement. Les pelles modernes utilisent des pompes à débit variable avec régulation Load-Sensing afin de répartir le débit en fonction des besoins et de réduire la consommation de carburant.

Chargeuses sur pneus

Les chargeuses sur pneus utilisent principalement l’hydraulique pour les mouvements de levage et de basculement de la benne. Contrairement aux pelles hydrauliques, l’accent est ici mis sur des cycles de travail rapides. La pompe hydraulique doit fournir des débits élevés afin que le vérin puisse soulever et basculer rapidement la benne. Sur de nombreuses chargeuses sur pneus, un moteur hydraulique entraîne en outre le châssis, ce qui permet un réglage continu de la vitesse sans boîte de vitesses mécanique.

Grues et appareils de levage

Les grues font partie des engins de chantier imposant les exigences de sécurité les plus élevées en matière d’hydraulique. Il ne s’agit pas seulement de puissance, mais aussi de précision et de fiabilité. Le treuil de levage est souvent entraîné par un moteur hydraulique, tandis que le réglage de la flèche et le stabilisateur sont assurés par des vérins. Des valves de freinage et des valves de maintien de charge sécurisent la charge en cas de perte de pression et empêchent un abaissement incontrôlé.

Bulldozers et rouleaux compresseurs

Les bulldozers utilisent des vérins hydrauliques pour le réglage de la hauteur et de l’inclinaison de la lame. Sur les rouleaux compresseurs, l’hydraulique est utilisée pour la direction et la vibration. Un moteur hydraulique entraîne le balancier qui fait vibrer le rouleau et compacte ainsi le sol. Les pressions de service dans ces machines se situent généralement entre 200 et 350 bars.

Composants hydrauliques dans les engins de chantier

Quel que soit le type de machine, les systèmes hydrauliques des engins de chantier sont composés des mêmes éléments de base. Le choix et le dimensionnement de ces composants déterminent les performances de la machine.

Pompes hydrauliques

La pompe est le cœur de toute machine de chantier hydraulique. Dans les machines lourdes telles que les pelles et les grues, ce sont les pompes à pistons axiaux à débit variable qui prédominent, car elles peuvent adapter le débit en continu aux besoins. Dans les machines plus simples, on utilise également des pompes à engrenages, qui sont économiques et robustes, mais qui ont un volume de refoulement fixe. Les pressions de service typiques vont de 250 bars pour les machines légères à plus de 400 bars pour les outils hydrauliques tels que les marteaux de démolition.

Vérins hydrauliques

Les vérins hydrauliques transforment la pression du fluide en mouvement linéaire. Ils actionnent les flèches, les bras, les godets et les stabilisateurs. Dans les engins de chantier, on utilise presque exclusivement des vérins à double effet, car ils doivent exercer une force dans les deux sens de déplacement. Les vérins doivent résister à des contraintes élevées: chocs, forces latérales et variations extrêmes de température sur le chantier.

Moteurs hydrauliques

Les moteurs hydrauliques génèrent un mouvement rotatif à partir de l’huile sous pression. Dans les engins de chantier, ils entraînent les trains de roulement, les mécanismes de pivotement, les treuils et les soufflantes. Les moteurs à pistons radiaux à faible vitesse sont utilisés dans les applications nécessitant un couple élevé à faible régime, comme les treuils à câble. Les moteurs à pistons axiaux couvrent la plage des régimes moyens et se trouvent souvent dans les entraînements de translation et de pivotement.

Vannes de commande

Les distributeurs, les vannes de pression et les vannes de débit commandent et régulent la distribution de l’huile hydraulique. Dans les engins de chantier modernes, les vannes proportionnelles électrohydrauliques remplacent de plus en plus les commandes purement mécaniques. Elles permettent un dosage plus fin de la pression et du débit et peuvent être commandées à l’aide de manettes et d’appareils de commande électroniques. Les vannes à détection de charge adaptent la pression du système à la pression de charge la plus élevée et réduisent ainsi les pertes en fonctionnement à charge partielle.

Pressions de service et classes de puissance

La conception du système hydraulique dépend de la classe de puissance de l’engin de chantier. Les engins légers, tels que les mini-pelles, fonctionnent à des pressions de service d’environ 250 bars et avec des débits de l’ordre de quelques litres par minute. Les engins de poids moyen, comme les pelles de 20 tonnes, fonctionnent entre 300 et 350 bars. Les engins de chantier lourds, tels que les grandes pelles et les grues sur chenilles, atteignent des pressions de 400 bars et plus. Les pressions limites du système sont fixées par des soupapes de limitation de pression, qui sont réglées environ 5 à 10 % au-dessus de la pression nominale afin d’absorber les pics de pression.

Normes et consignes de sécurité

Les systèmes hydrauliques des engins de chantier sont soumis à des normes et des réglementations strictes, car une défaillance peut mettre en danger les personnes et les machines. La norme principale régissant les exigences de sécurité des systèmes hydrauliques est la norme DIN EN ISO 4413. Elle régit la conception, la commande et la protection des systèmes hydrauliques dans les machines et est complétée par la norme DIN EN ISO 13849-1 pour les composants de commande liés à la sécurité.

Au niveau européen, la directive Machines 2006/42/CE exige que les machines soient conçues et construites de manière à éviter les dangers liés à l’énergie hydraulique. L’annexe I, point 1. 5. 3, précise les exigences relatives aux conduites non métalliques, aux limitations de pression et à la protection contre les fuites. Le nouveau règlement européen sur les machines 2023/1230 élargit ces exigences et remplace la directive précédente.

En Allemagne, le règlement sur la sécurité au travail (BetrSichV) et la règle DGUV 113-020, qui régit l’utilisation des conduites hydrauliques et des fluides hydrauliques, s’appliquent également. Elle prescrit des contrôles avant la première mise en service et à intervalles réguliers. La directive sur les équipements sous pression 2014/68/UE peut également s’appliquer à certains composants sous pression dans le domaine de l’hydraulique.

Entretien et maintenance

La fiabilité d’un engin de chantier hydraulique dépend en grande partie de l’entretien du système hydraulique. Les conditions de chantier, la poussière, les variations de température et les contraintes mécaniques mettent les composants à rude épreuve.

Qualité de l’huile et filtration

La propreté de l’huile hydraulique est déterminante pour la durée de vie des pompes, des vannes et des vérins. Les impuretés sous forme de particules provoquent une usure par abrasion au niveau des fentes fines des vannes proportionnelles et des pompes. Des analyses régulières de l’huile et des changements de filtre effectués en temps opportun permettent de maintenir la pureté de l’huile au niveau requis. La finesse de filtration dépend de la sensibilité des composants; pour les vannes proportionnelles, on utilise généralement des filtres dont la finesse est de l’ordre de quelques micromètres.

Flexibles

Les flexibles hydrauliques font partie des pièces d’usure qui doivent être contrôlées et remplacées régulièrement. La règle DGUV 113-020 exige un contrôle visuel des flexibles afin de détecter d’éventuelles fissures, usure, déformations et fuites. En cas de défauts visibles ou après dépassement de la durée d’utilisation recommandée, les flexibles doivent être remplacés. L’éclatement d’un tuyau haute pression peut entraîner des blessures dues à des fuites d’huile sous haute pression et des incendies causés par le fluide hydraulique chaud.

Joints et pièces d’usure

Les joints des vérins et des vannes vieillissent sous l’effet des contraintes thermiques et mécaniques. Des joints fragilisés ou déformés entraînent des fuites internes qui réduisent l’efficacité du système et peuvent rendre la machine incontrôlable. L’inspection régulière et le remplacement des joints font partie du plan d’entretien standard de toute machine de chantier.

Tendances et évolutions

L’hydraulique des engins de chantier continue d’évoluer, sous l’impulsion des exigences en matière d’efficacité, des normes d’émissions et des progrès de l’électronique.

Électrohydraulique et détection de charge

Les systèmes électrohydrauliques remplacent les chaînes de commande mécaniques par des signaux électroniques et des vannes proportionnelles. Cela améliore la précision de commande et permet des processus de travail automatisés. Les systèmes à détection de charge adaptent la pression de refoulement et le débit de la pompe aux besoins réels des consommateurs. Cela réduit considérablement les pertes en fonctionnement à charge partielle et diminue la consommation de carburant.

Entraînements hybrides et électriques

Les premiers constructeurs proposent des engins de chantier équipés de motorisations électriques ou hybrides-électriques. Sur ces machines, un moteur électrique entraîne la pompe hydraulique à la place d’un moteur diesel. L’hydraulique est conservée comme moyen de transmission de puissance, car elle fournit la densité de puissance nécessaire aux travaux de terrassement et de levage. La combinaison d’un entraînement électrique et d’une commande hydraulique intelligente promet des réductions significatives des émissions sur les chantiers.

Surveillance numérique

Des capteurs mesurent la pression, la température, le débit et l’état d’usure directement sur les composants hydrauliques. Les données sont transmises à des systèmes de commande de niveau supérieur et à des plateformes cloud, permettant ainsi une maintenance conditionnelle. Les intervalles de maintenance fixes cèdent ainsi la place à une approche basée sur les besoins, ce qui réduit les temps d’arrêt et augmente la disponibilité de l’engin de chantier.