Choc électrique : Le tout-terrain n'en a pas fini avec l'hydraulique

La nouvelle chargeuse compacte T7X de Bobcat est axée sur le développement durable. Comme d'autres équipements lourds récemment lancés par plusieurs fabricants, la T7X utilise des entraînements électriques au lieu d'un moteur diesel ou à essence. Ce qui différencie la T7X, c'est qu'elle utilise également des entraînements électriques au lieu de systèmes hydrauliques.

En quoi l'élimination du système hydraulique rend-elle cette machine plus durable ? Après tout, les systèmes hydrauliques ne brûlent pas de carburant et ne produisent donc pas de grandes quantités de gaz d'échappement. Bien qu'ils puissent émettre de petites quantités de vapeurs dans l'atmosphère à partir du reniflard du réservoir, ces émissions sont facilement capturées et renvoyées dans le réservoir hydraulique.

Par conséquent, si le remplacement des commandes hydrauliques par des commandes électriques n'est pas motivé par les émissions, les inconvénients perçus des systèmes hydrauliques - en particulier les fuites - doivent en être la cause. L'idée selon laquelle les systèmes hydrauliques fuient et causent des dommages à l'environnement est très répandue. Cette perception est si largement acceptée qu'elle a donné naissance à un marché entier : les fluides hydrauliques respectueux de l'environnement, l'idée étant que ces fluides minimisent les dommages causés à l'environnement en cas de fuite.

Une solution plus simple est une vieille solution qui a été débattue pendant plus de 70 ans : la formation. Une conception, une installation et un entretien corrects permettent d'éviter la plupart des fuites. Tous les secteurs qui touchent à l'équipement hydraulique doivent suivre les meilleures pratiques, y compris celles qui :

• • concevoir et fabriquer des composants,

• • concevoir des systèmes hydrauliques et en spécifier les composants,

• • installer et réparer les composants et les systèmes, et

• effectuer la maintenance de routine et la maintenance préventive.

Si le personnel échoue dans l'une de ces tâches, le système hydraulique peut présenter des fuites. Par conséquent, la formation visant à sensibiliser les travailleurs aux causes des fuites et à la manière de les prévenir est essentielle pour obtenir un système hydraulique sans fuites.

Les systèmes hydrauliques sont également perçus comme une sorte de boîte noire. En cas de dysfonctionnement, l'utilisateur fait appel à des mécaniciens et à des techniciens qualifiés pour le dépannage et les réparations. Il en va de même pour les commandes sophistiquées et les systèmes électromécaniques. Les systèmes hydrauliques ne sont pas plus mystérieux que d'autres systèmes d'entraînement nécessitant des connaissances et une expérience spécialisées. Il est simplement plus facile de trouver des experts connaissant bien les systèmes électriques que des experts compétents en hydraulique.

Équipements électriques hors route

La T7X est peut-être la première chargeuse compacte entièrement électrique à arriver sur le marché, mais Volvo AB a présenté une mini-pelle entièrement électrique en 2017. Le prototype, appelé EX02, utilisait des moteurs électriques et des actionneurs électromécaniques pour ses fonctions de puissance, de sorte qu'il ne contenait aucun système hydraulique.

Cependant, une visite sur le site web de Volvo ne fournit aucune nouvelle information depuis l'introduction de l'EX02. En fait, toutes les machines "tout électriques" de Volvo qui sont entrées sur le marché de la construction depuis lors sont en réalité des hybrides hydrauliques - elles ont un système hydraulique entraîné par un moteur électrique à vitesse variable.

Je n'ai reçu aucune réponse de Volvo lorsque je me suis renseigné sur le statut de l'EX02. Peut-être les développeurs ont-ils découvert que les plongeons électriques n'égalaient pas les performances, la durabilité et la longévité de l'hydraulique. En fait, Doosan, Volvo, Caterpillar, Komatsu, JCB, Case CE et Wacker Neuson ont également lancé des minipelles, et ce sont toutes des hybrides hydrauliques.

Comme d'autres machines entièrement électriques introduites sur le marché de la construction, la chargeuse compacte T7X de Bobcat utilise des moteurs électriques à vitesse variable dans son entraînement au sol. Cela n'a rien de surprenant : les entraînements de roues électriques sont utilisés depuis des décennies. Les gros camions de terrassement font largement appel à la propulsion électrique, tout comme les locomotives de chemin de fer. Traditionnellement, ils sont propulsés par un moteur diesel qui alimente un gros générateur, lequel fournit la puissance aux roues.

Dans le domaine des équipements de construction, la tendance dans les excavateurs est de remplacer le moteur hydraulique de l'entraînement d'oscillation de la machine par un moteur électrique. Les moteurs électriques présentent un couple de démarrage élevé, qui permet une accélération rapide de la rotation. Ce couple de démarrage élevé est également bénéfique pour l'entraînement des roues et des chenilles, en particulier lorsqu'il est associé à un engrenage planétaire à la sortie du moteur.

Profil du T7X

Justin Odegaard, responsable de l'accélération chez Doosan Bobcat North America, a déclaré dans un communiqué de presse que les concepteurs souhaitaient éliminer le système hydraulique sur le nouveau T7X pour deux raisons principales.

"Tout d'abord, un système hydraulique comporte un grand nombre de connexions et de composants", explique M. Odegaard. "Chaque connexion dans un système présente une possibilité de fuite. Éliminer les systèmes hydrauliques signifie éliminer le risque de fuites et, par conséquent, éliminer le potentiel de temps d'arrêt.

"Deuxièmement, le passage à une plate-forme entièrement électrique est beaucoup plus efficace qu'un bloc de batteries alimentant un système hydraulique. Cela nous permet d'avoir des durées de fonctionnement plus longues sans avoir besoin d'une batterie plus importante, ce qui augmente la productivité et l'efficacité pendant toute la durée de vie de la machine."

La première revendication d'Odegaard soulève la critique fréquente des fuites hydrauliques. Les fuites se produisent lorsque les opérateurs, les mécaniciens et d'autres personnes pensent qu'elles sont inhérentes aux systèmes hydrauliques. Mais comme nous l'avons vu plus haut, l'emploi de travailleurs correctement formés et respectant les meilleures pratiques permet de réduire considérablement la fréquence et la gravité des fuites.

Le deuxième point soulevé par M. Odegaard est lié à la conception d'un système spécifique. Les conceptions de systèmes individuels, telles que la tension du système électrique et la configuration de la batterie, varient considérablement d'un fabricant de chargeuses et de mini-pelles électriques à l'autre. Tout comme ces variables peuvent affecter l'efficacité, la conception par l'équipementier du système hydraulique qui entraîne un moteur électrique peut également l'affecter. Un système hydraulique utilisant une pompe à piston à cylindrée variable, par exemple, améliore considérablement l'efficacité et les performances par rapport à un système utilisant, par exemple, une pompe à engrenages.

Odegaard a ajouté que le T7X repose sur un système électrique de 460 V. "Cette tension permet d'obtenir l'efficacité que nous recherchions en termes de conception globale", a-t-il déclaré dans le communiqué de presse de Bobcat.

Une batterie lithium-ion de 62 kW de qualité construction alimente le système de chenilles de la chargeuse et toutes les fonctions du groupe de travail. La charge complète de la batterie permet d'effectuer des travaux quotidiens pendant quatre heures d'affilée et de fonctionner pendant une journée entière en cas d'utilisation intermittente.

Les responsables de Bobcat comparent les performances de la T7X à celles de sa contrepartie conventionnelle, la T76. Le poids en ordre de marche de la T7X est de 12 187 livres, soit près de 20 % de plus que celui de la T76, qui est de 10 250 livres. M. Odegaard a ajouté que la chargeuse T7X est "une configuration haut de gamme dont le prix est environ trois fois supérieur à celui d'une chargeuse T76 bien équipée". Cependant, le coût d'exploitation de la chargeuse T7X est inférieur de près de 90 % à celui d'une chargeuse T76.

Avantages du tout électrique

Bien que le T7X soit conçu pour la durabilité, il s'agit également d'une machine intelligente dotée d'une connectivité logicielle via des communications télématiques bidirectionnelles. Doosan Bobcat a collaboré avec Moog Inc. un développeur mondial de composants et de systèmes de contrôle des mouvements, afin d'accélérer le rythme de la R&D pour les capacités de contrôle électronique du T7X. Moog a conçu et fourni une plate-forme qui fournit des données sur les performances de l'équipement et permet à l'opérateur de modifier les préférences de la machine, d'adapter les performances à certaines situations de travail et de mettre à niveau les caractéristiques du produit. Cela inclut une vitesse d'entraînement variable à plein couple et d'autres caractéristiques impossibles à obtenir avec une machine diesel-hydraulique.

Moog a conçu un système efficace utilisant un contrôle distribué pour envoyer de la puissance uniquement quand et où elle est nécessaire, par exemple pour soulever une charge ou se déplacer d'un côté à l'autre, ce qui permet de ne gaspiller que peu ou pas d'énergie. Le système de gestion de la puissance détecte les augmentations de charge et réduit automatiquement la puissance lorsqu'elle n'est pas nécessaire. Toutes ces caractéristiques se combinent pour économiser l'énergie et prolonger la durée de fonctionnement de la machine.

En général", a déclaré Daniel Foster, directeur de la technologie, de la croissance et de l'innovation chez Moog, dans un échange de courriels, "notre approche est que la simulation et l'analyse de l'ensemble du système - y compris toutes les charges de masse et statiques ainsi que la rigidité de l'ensemble du système - sont nécessaires lors de la conception des actionneurs, des supports et du système de contrôle associé pour gérer les charges de choc". À l'instar de l'approche des systèmes robustes en hydraulique, les systèmes électromécaniques (lorsqu'ils sont conçus correctement) gèrent des charges d'impulsion et de choc élevées. Cependant, les considérations relatives aux commandes et à la synchronisation des événements sont différentes de celles utilisées pour l'hydraulique."

Le logiciel du système Moog apprend à optimiser les mouvements et les opérations au fur et à mesure que le T7X fonctionne. Les responsables de Moog ont expliqué que l'atténuation des pics de consommation d'énergie peut augmenter la durée de fonctionnement de plus de 25 %.

Comparaison entre l'électromécanique et l'hydraulique

Les composants les plus critiques du T7X sont peut-être les actionneurs linéaires électromécaniques conçus par Moog, qui préfère le terme de "vérins électriques". Le T7X utilise une paire de vérins électriques pour la fonction d'inclinaison du godet et une deuxième paire pour le levage du godet.

"Nous concevons et fabriquons nos propres vis et actionneurs", explique M. Foster, "nous avons donc développé des outils spécifiques pour analyser et valider les conceptions. Les écrous à billes et les renvois Moog sont spécialement conçus pour que la perte de billes d'un circuit ne soit pas un problème. Le dimensionnement en fonction des charges opérationnelles, des modes de défaillance et des contraintes de contact associées est la clé du respect de la durée de vie nominale".

Chaque vérin électrique est une vis à billes entraînée par un moteur électrique à vitesse variable intégré dans un seul composant classé IP-67. Les vérins électriques utilisés pour le levage du godet ont une course maximale de 740 mm, des forces maximales et continues de 130 kN (29 200 lbf) et 55 kN (12 400 lbf), respectivement, et une vitesse maximale de 225 mm/sec (8.8 in./sec). Les vérins électriques d'inclinaison ont une course maximale de 346 mm, des forces maximales et continues de 110 kN (24 730 lbf) et 45 kN (10 115 lbf), respectivement, et une vitesse maximale de 107 mm/sec (6,70 in./sec).

Pour ceux qui connaissent bien l'hydraulique, la grande question est de savoir si ces vérins électriques peuvent résister à l'utilisation régulière et aux mauvais traitements infligés par les opérateurs. Après tout, les chargeuses ne servent pas seulement à ramasser et à déverser des matériaux en vrac ; elles sont souvent utilisées pour racler l'asphalte et d'autres matériaux sur le béton, creuser dans les sols rocheux et dégager de gros rochers ou des morceaux de béton afin de pouvoir les enlever.

Les vérins hydrauliques sont connus pour tolérer une forte contamination. La boue, la saleté, le sable, la poussière lourde et d'autres particules en suspension dans l'air peuvent entrer en contact avec la tige du piston d'un vérin, mais les racleurs de tige et les joints réduisent les particules qui pénètrent dans le système hydraulique. En outre, le fluide circule régulièrement à travers des filtres. Tant que les utilisateurs entretiennent correctement les filtres, un système hydraulique peut fonctionner indéfiniment dans des environnements extrêmement sales. Les actionneurs électromécaniques n'ont généralement pas le luxe de faire circuler un lubrifiant contaminé à travers un système de filtration.

Toutefois, M. Foster de Moog considère que les systèmes électromécaniques sont plus résistants à la contamination interne que les systèmes hydrauliques. "L'étanchéité est vraiment la clé d'une fiabilité et d'une durée de vie maximales", a-t-il déclaré. "En cas de défaillance du joint et de la contamination interne qui en résulte, si l'actionneur ou le réducteur est endommagé et que ses performances se dégradent, l'efficacité sera également réduite. Comme l'efficacité peut être contrôlée tout au long de la durée de vie opérationnelle de l'actionneur, celui-ci peut être remplacé comme un 'élément remplaçable en ligne' qui n'a pas d'impact sur d'autres parties du système".

La contamination et l'endommagement de l'ensemble du système ne sont pas un mode de défaillance des systèmes électromécaniques, a-t-il déclaré. Le remplacement d'un élément remplaçable en ligne n'implique pas la vidange, le rinçage, le remplissage et la purge d'un système hydraulique.

Un autre problème, mais de moindre importance, est la production de chaleur localisée. Les moteurs électriques peuvent générer une chaleur importante lorsqu'ils sont soumis à des démarrages, des arrêts et des inversions fréquents. Foster a expliqué que les principaux moteurs de traction et de propulsion, les servodrives, les modules de gestion de l'énergie et souvent les batteries sont refroidis à l'aide d'une solution de propylène-glycol. Le système de refroidissement est centralisé avec des lignes de refroidissement à basse pression.

Même si le Bobcat T7X s'avère être un succès retentissant, il ne sonnera pas le glas de l'hydraulique dans les équipements mobiles. Son prix élevé limitera le nombre d'unités vendues, ce qui freinera les réductions de prix qui résulteraient autrement de la vente de gros volumes.

Les batteries elles-mêmes posent également un problème. Les temps d'arrêt qui accompagnent la recharge des machines limitent leur utilisation pour plusieurs équipes par jour jusqu'à ce qu'il existe une méthode rapide et facile pour échanger les batteries épuisées contre des batteries fraîchement chargées.

Une autre limitation est la mise à l'échelle. Le Bobcat T7Z est une petite machine dans le monde des équipements de construction. Même si elle est possible, l'application de sa technologie à des machines plus grandes est probablement prohibitive en termes de coûts dans un avenir proche.

Il est donc prématuré, à l'heure actuelle, de s'inquiéter de l'élimination des systèmes hydrauliques dans les équipements hors route. Mais qui sait ? Cela pourrait concerner vos arrière-petits-enfants, lorsqu'ils deviendront vieux.

Pourquoi des équipements de construction ?

Depuis des décennies, les voitures électriques sont présentées comme l'avenir du transport. Mais jusqu'à ce que la technologie dépasse les batteries plomb-acide, les voitures électriques n'ont jamais été plus que des voiturettes de golf glorifiées. Les batteries au plomb n'ont tout simplement pas ce qu'il faut pour parcourir de longues distances.

Puis les batteries lithium-ion sont arrivées sur le marché. Elles ont révolutionné le véhicule électrique au point qu'aujourd'hui, nous discutons sérieusement de la possibilité qu'il remplace un jour le véhicule à carburant fossile. Cependant, on ne sait pas encore si les voitures électriques sont pratiques pour les déplacements sur de longues distances. Même avec tous les progrès réalisés en matière d'autonomie, un véhicule électrique ne peut toujours pas transporter six personnes ou plus et leurs bagages et parcourir 600 miles ou plus en une journée - surtout s'il faut faire fonctionner le chauffage ou la climatisation.

Le principal obstacle à surmonter est la manière de recharger ou d'échanger rapidement une batterie usagée et de reprendre la route dans le même temps qu'il faudrait pour faire le plein. Le problème ne semble pas être le véhicule, mais plutôt l'infrastructure, c'est-à-dire les stations de recharge, nécessaires pour restaurer une batterie usagée.

De nombreux véhicules utilitaires - en particulier ceux utilisés sur les chantiers de construction - n'ont pas ce problème. Ils utilisent leur énergie pour creuser, soulever, écraser, pousser et toute une série d'autres tâches qui n'impliquent pas de longs trajets. Cela signifie qu'un projet de construction pourrait conserver une station de recharge transportable sur le site et programmer la recharge des véhicules tout au long de la journée de travail.

Un avantage similaire existe pour les véhicules qui parcourent des itinéraires fixes, tels que les camions à ordures et les bus. Tant qu'ils peuvent effectuer leur trajet avec une seule charge, ils n'ont pas besoin de changer de batterie ou de la recharger avant la fin de leur service.

-AlanHitchcox, spécialiste en communication technique