Procédé et dispositif de sécurité pour engins de chantier

La présente invention se rapporte aux engins de chantier, tels excavatrices , grues , bull-dozers , pelles mécaniques , etc . . et propose un procédé de détection d'instabilité et un sys¬ tème de sécurité empêchant l'instabilité de l'engin pendant son opération .

Ces engins sont souvent utilisés dans des situations difficiles , par exemple sur un terrain incliné, avec une charge extrême, avec un bras trop étendu, etc . .

Dans ces cas ces engins deviennent facilement instables et les accidents qui peuvent en résulter risquent d'avoir des consé¬ quences dramatiques .

Il est de pratique courante d'installer sur ces engins un dispositif indiquant soit la fin de course d'une ou de plusieurs parties mobiles relié à un système d'avertissement, soit la limite de la capacité hydraulique du système actionnant les parties mobiles . Dans les systèmes plus évolués ces dispositifs peuvent même être équipés d'un arrangement provoquant le blocage de l'appareil.

Ces systèmes connus sont toutefois peu fiables et ne donnent en général pas entière satisfaction étant donné que les fins de course de parties mobiles ou les possibilités hydrauliques ne correspondent pas aux limites de stabilité de ces engins . Par ailleurs , les circuits hydrauliques sont en général fort complexes et peuvent présenter des transitoires qui rendent l'analyse des données hydrauliques parfois très problématique.

Pour être fiable, un système de sécurité doit fonction¬ ner correctement dans toutes les conditions de travail envisa¬ geables: cela va du travail en atmosphère poussiéreuse jusqu'au travail en milieu humide, ou encore du travail sur un terrain hori- zontal jusqu'au travail sur une pente.

Le système doit être opérationnel dans tous les cas de figure. En effet, si l'opérateur sait qu'un système empêche le basculement de l'engin, il peut avoir tendance dans certains cas à s'en servir et à travailler à la limite des capacités de la machine. II faut que le système réagisse toujours pour un même danger de basculement et cela quelles que soient les conditions extérieures .

Le système doit être simple, peu coûteux, avoir le moins de dispositifs mécaniques possibles , être simple à placer sur la machine et demander peu de mises au point.

L'opérateur de l'engin ne peut pas trouver de moyens de contourner le système de sécurité.

La présente invention propose un système qui répond aux conditions précitées . La présente invention a pour objet notamment un système de sécurité signalant à l'opérateur que l'engin est proche de l'instabilité et d'empêcher toute fausse manoeuvre ultérieure au cas où l'opérateur ignorait le signal.

Un autre objet de l'invention est de proposer un procédé de détection d'instabilité d'un engin qui permet de trans¬ former la mesure détectée en un moyen d'information et /ou de réactio .

Selon une caractéristique du procédé suivant l'inven¬ tion on détecte le déplacement d'un élément en contact direct ou indirect avec le sol, par rapport à une partie fixe du châssis de la machine, et on transforme la mesure détectée en un signal provo¬ quant, chaque fois que cette mesure dépasse un seuil prédéterminé, une information visuelle et /ou audible pour l'opérateur de la machine, et /ou une action sur la commande de la machine.

De préférence la détection sera dédoublée et la pre¬ mière mesure provoquera l'information visuelle ou audible et la seconde mesure provoquera la réaction mécanique. La réaction mécanique empêchera tout mouvement de l'engin qui tend à aug- menter l'instabilité, les mouvements permettant d'amehorer la sta¬ bilité restant possible.

D'autres caractéristiques résulteront de la description détaillée d'un exemple de mise en application, illustré à l'aide des figures jointes qui représentent: Figure 1 : une vue latérale de l'engin suivant l'exemple;

Figure 2 : une vue latérale de l'engin dans une situation de travail; Figure 3 : une vue de détail latérale de la figure 1 montrant l'em¬ placement du capteur; Figure 4 : une coupe suivant la ligne IV-IV dans la figure 3; Figure 5 : un schéma logistique pour le traitement de mesures ; Figure 6 : un schéma indiquant le passage des signaux; Figure 7 : un schéma électronique pour le traitement de données .

L'exemple traite une excavatrice sur chenilles et la figure 1 montre que cette machine se compose d'un châssis inférieur 1 , sur lequel viennent se placer le train de roulement comportant deux rangées de galets 6 et deux chenilles 7, et d'un châssis supérieur 2, posé sur le premier, reliés par une couronne dentée circulaire, appelée couronne d'orientation 8. Sur le deuxième châssis on trouve le moteur, la plus grande partie du circuit hy- drauhque et le poste de commande. On y trouve également fixée la flèche 3, qui supporte le bras 4, qui, à son tour, supporte le godet 5.

Le fonctionnement de toutes les parties en mouvement de cette machine repose sur un système hydraulique qui utilise la pression d'huile comme force motrice principale.

La mise en circuit de l'huile est réalisée par des pompes , toutes actionnées par un moteur thermique. Ce moteur actionne tout d'abord deux pompes principales , à débit variable, interconnectées , qui alimentent les principaux organes de travail dans un circuit à haute pression.

Une valve servo se déplace à tout moment en fonction de la quantité de travail que doit supporter la machine et entraîne la variation de débit des deux pompes. Les pompes fournissent alors une pression et un débit totalement adaptés au type de travail à effectuer et répartissent de façon optimale la puissance disponible du moteur.

Une troisième pompe à engrenages alimente le circuit à basse pression, constitué essentiellement des canalisations de pres¬ sion de pilotage et de circuits auxiliaires de régulation. Le dispositif de sécurité suivant l'invention est basé sur la définition du basculement. Le danger de basculement dans la mise en application suivant l'exemple devient important lorsque les galets 6 du train de roulement qui roulent sur les chenilles 7 se détachent de ceUes-ci. On détecte donc un éventuel décollage des galets par rapports aux chenilles .

En fonctionnement normal, l'excavatrice repose sur les deux chenilles 7 par l'intermédiaire de deux rangées de galets 6. Dans le cas où la charge en bout du bras 4 contenue dans le godet 5 est trop importante, l'excavatrice tend à basculer. A ce moment, certains galets 6 de l eur rangée ne reposent plus sur la che¬ nille. Les premiers à s'en éloigner étant les galets extrêmes de chaque rangée; en effet, le poids propre des chenilles tend à comprimer un ressort horizontal, placé à l'avant, qui doit nor¬ malement les tendre, d'où la flèche que prennent les chenilles et le conséquent détachement des galets .

Pour contrôler le comportement de l'excavatrice, quatre capteurs 9 sont disposés aux quatre coins de la machine. Quand elle commence à basculer, c'est un des galets situé à l'un des quatre coins que se décollera en premier. Chaque capteur a pour fonction de détecter un éventuel décollement entre le galet qui lui est proche et la chenille. Sur base des informations délivrées par les capteurs , le système réagit pour empêcher le basculement.

Toutefois , il faut éviter de détecter des déplacements des chenilles qui ne donnent pas heu à un basculement. En effet, lorsque l'opérateur creuse, le godet exerce une poussée sur le sol.

Si cette poussée est importante, l'avant de l'excavatrice peut se soulever, entraînant le décollage des galets (Fig. 2) . Cette situa¬ tion ne correspond pas à un basculement, car l'excavatrice repose sur le godet. II faudra donc tenir compte uniquement des informa¬ tions fournies par les capteurs disposés aux deux coins de la machine opposés au godet. A cet effet, il faut prévoir des moyens qui permettent de repérer la position du godet et qui peuvent de ce fait sélectionner la paire de capteurs devant exercer la surveillance. La sélection des capteurs est faite en tenant compte des possibilités de basculement. L'excavatrice repose sur le sol par l'intermédiaire de deux chenilles parallèles et de même longueur. Le contour extérieur de la surface de contact avec le sol est donc rectangulaire. L'excavatrice peut donc se ramener à un volume de base rectangulaire 11 (Fig. 5) . Si ce volume tend à basculer, il le fera le plus probablement en pivotant sur un des côtés du rec¬ tangle; ce seront donc les capteurs disposés sur le côté du rectan¬ gle parallèle au côté autour duquel le volume pivote qui devront exercer la surveillance du basculement. On peut donc définir quatre zones de travail du godet , la figure 5 montre ces zones ; la zone Z-I donnant en position 0° , la position de repos normale, c'est-à-dire le bras et le godet à l'avant de l'excavatrice. C'est la zone de travail dans laquelle l'excavatrice doit travailler de préférence. La limite des zones est donnée à titre d'exemple et une grande précision n'est pas requise pour ces va¬ leurs .

Quand le godet travaille dans la zone Z-I, le dispositif sélectionne les capteurs C2 et C3. De même, les zones Z-II, Z-III, Z-IV sont surveillées respectivement par les capteurs C3-C4, C1-C4 et C1-C2.

Lorsqu'un risque de basculement est détecté, l'opéra¬ teur est averti et le basculement est empêché. De préférence on agit en deux phases . Quand on détecte un risque de basculement, l'opérateur est averti par un signa] visuel ou sonore . Si l'opéra- teur réagit correctement, l'alarme s'arrête . En revanche, si

l'opérateur, dans sa manoeuvre , accroît le risque de basculement, c'est-à-dire si la distance entre galet et chenille augmente, la deuxième phase intervient et tout mouvement de la charge tendant à augmenter l'instabilité est empêché . Pour distinguer ces deux niveaux de détection, dans l'exemple considéré, chacun des quatre capteurs disposés aux coins de l'excavatrice est dédoublé . Il y a donc huit capteurs . Quatre capteurs détectent le risque de basculement et en informent le système d'alarme; les quatre autres , réglés sur une distance galet - chenille légèrement supérieure, font réagir le système de blocage de certaines commandes .

Plusieurs types de capteurs peuvent être utilisés . On peut envisager des capteurs mécaniques , des capteurs à ultrasons , des capteurs optiques , des capteurs capacitifs . Toutefois , les capteurs doivent répondre à certaines exigences :

- détection du métal à une distance de 5 cm environ;

- possibilité de travailler dans des conditions difficiles du point de vue de la propreté par la présence quasi permanente de terre; - possibilité de travailler dans l'eau pendant un temps indéterminé sans que celle-ci n'affecte les caractéristiques de la détection;

- absence de contact entre le capteur et la chenille pour éviter la détérioration du capteur lors du mouvement de la machine.

On utilisera de préférence suivant l'exemple de l'in- vention des capteurs inductifs dont la distance de détection n'est influencée que par la nature du métal à détecter.

En conditions normales de marche de l'excavatrice, les capteurs inductifs détecteront en permanence le métal, la chenille étant proche du galet; ce n'est qu'en cas de risque de basculement qu'ils ne détecteront plus le métal et qu'ils activeront le circuit d'alarme et/ou de blocage des commandes qui pourraient accentuer l'instabilité.

Selon une forme de mise en application préférentielle on place les capteurs entre les deux galets extrêmes d'une rangée. En principe on place les deux capteurs (deux niveaux de détection)

dans le voisinage l'un de l'autre en tenant compte que la distance de mesure est légèrement supérieure pour le deuxième capteur. Lorsqu'il s'agit d'une machine sur chenilles comme dans l'exemple sous considération, on peut placer les capteurs côte à côte, étant donné qu'il existe en fait deux bandes de roulement sur chaque chenille. En effet:

- il faut les protéger le plus possible contre des agressions exté¬ rieures , telles que les projections de pierres ;

- il faut les placer assez près des chenilles , tout en évitant le contact;

- ils doivent être placés à un endroit où les chenilles sont rela¬ tivement propres ;

- il est nécessaire de les mettre le plus près possible des coins de l'excavatrice. Placés entre deux galets extrêmes d'une rangée, les capteurs détectent la bande de roulement des galets sur les che¬ nilles , qui est fréquemment nettoyée par les galets lors du déplace¬ ment de la machine. Les capteurs seront protégés par les galets , ils peuvent donc être positionnés assez près des chenilles , car les galets empêcheront les chenilles de se rapprocher dangereusement des capteurs .

Afin de connaître la zone dans laquelle se situe le godet, on a disposé deux fins de course A et B près de la cou¬ ronne d'orientation 8 , à 53° et à 307° (Fig. 6) . Ceux-ci sont fixés sur le châssis inférieur 1 de l'excavatrice. Sur la couronne d'orientation 8 , qui est solidaire de la partie tournante de l'exca¬ vatrice, est fixée une surépaisseur 9 couvrant la moitié avant du périmètre et s'étendant donc de +90° à -90° .

De cette façon, on repère les angles de séparation des quatre zones Z-I , Z-II, Z-III et Z-IV.

Le tableau ci-après résume les zones, les positions de la pelle, les fins de course et les capteurs qui veillent

Les informations provenant des huit capteurs et des fins de course sont collectées par un système électronique. Le système utilisé dans le présent exemple est décrit brièvement ci-après . Il est toutefois clair que le traitement des informations provenant des capteurs et des fins de course peut être fait par un grand nombre d'autres circuits électroniques.

La première fonction est de sélectionner les capteurs qui doivent veiller à partir des informations venant des fins de course. Le tableau ci-dessus montre que l'information A + B définit la zone Z-I, l'information B (en absence de l'information A) la zone Z-II, l'information A (en absence de l'information B) la zone Z-IV et l'absence d'information de A et de B , la zone Z-III. En utilisant pour chaque capteur une porte "AND" (circuit logique) et en indi¬ quant A et B pour respectivement absence d'information de A et de B , on obtient les circuits montrés sur la partie gauche de la figure 7 (en haut les circuits pour les capteurs actionnant l'alarme, en bas les circuits pour les capteurs actionnant le blocage) . Les résis¬ tances R ₁ sont nécessaires pour éviter toute absence de contact en fin de course. En effet, ces circuits doivent avoir soit un niveau bas (0 volt) , soit un niveau haut (12 volt) .

La sélection des capteurs suivant la zone où le godet travaille, se fait aussi à l'aide de portes "AND" , leur raccordement est donné à partir du tableau ci- des sus et est représenté sur la partie droite de la figure 5 , les raccordements en haut corres¬ pondent aux capteurs Cl à C4 donnant l'alarme, les raccordements

en bas correspondent aux capteurs C5 à C8 (dédoublement des capteurs Cl à C4) donnant l'action de blocage. Les résistances R. ' jouent le même rôle que les résistances R-. . T.. et T„ représentent des transistors et R« des résistances . Ils sont nécessaires pour avoir une puissance suffisante à la sortie. Cette puissance est surtout nécessaire pour commander le blocage La sortie vers l'alarme est désignée par AL, tandis que la sortie vers le blocage est désignée par VA.

Dans l'excavatrice suivant cet exemple, le châssis supérieur 2 supporte tout le circuit électrique. Or ce châssis 2 doit pouvoir librement tourner autour du châssis inférieur 1. Le circuit hydraulique et les connexions électriques se font à l'aide d'un joint central classique comportant des canalisations hydrauli¬ ques et des prises de contact électriques . Le boîtier électronique comportant les portes "AND" décrites ci-dessus est placé sur le châssis inférieur 1.

Au moment de la détection d'un risque de basculement, une alarme avertit l'opérateur. De préférence l'alarme sera un signal sonore de courte durée accompagné d'une lampe témoin qui s'allume. Lorsque l'opérateur a rétabli la stabilité, la lampe témoin s'éteint. Cette situation peut le cas échéant également être confirmée par le signal sonore. Lorsque l'opérateur ne parvient pas à rétablir la stabilité et le risque de basculement s'aggrave, la détection au deuxième niveau aura heu et interviendra sur la commande de la machine. Le blocage de l'ensemble de la commande n'est pas un système sûr, étant donné que l'opérateur doit arrêter la machine et recommencer la manoeuvre. Il est dont proposé d'agir sur la partie de la machine qui influence le plus la stabihte, c'est- à-dire le bras 4. En effet, une variation de la flèche 3 n'influence que très peu le bras 4. De même, l'actionnement du godet 5 et la rotation du châssis supérieur 2 ont peu d'influence sur la stabihte. Dans l'exemple, la détection au deuxième niveau bloque donc uni¬ quement la sortie du bras 4. L'opérateur peut donc effectuer toutes les autres manoeuvres librement, et par conséquent sans perdre de temps ramener la machine rapidement dans une position

de stabilité. L'action sur le circuit hydraulique permettant le blocage de la sortie du bras peut se faire par plusieurs moyens .

Dans l'exemple décrit, le circuit hydraulique de pilotage actionne les distributeurs qui fonctionnent par le déplace - ment de tiroirs de commande.

Chaque distributeur contient deux chambres de pres¬ sion recevant l'huile provenant de la vanne pilote et renfermant un ressort taré qui maintient le distributeur en position neutre en l'absence de pression pilote. En coupant la pression pilote dans le distributeur agissant sur la commande du bras 4, le ressort ramène le bras dans sa position neutre et bloque la sortie du bras.

La dépressurisation voulue peut être obtenu par une dérivation sur la conduite de pression pilote considérée.

Donc, tant que la manette de commande est en position "sortie du bras" et que les capteurs détectent une instabihté, il s'établit une circulation d'huile dans l a conduite de dérivation annulant toute pression pilote et évitant toute action du bras de l'excavatrice.

La conduite de dérivati on est commandée par une él ectrovanne, qui s ' ouvre pour dépressuriser l a conduite de pression pilote, quant le blocage de la sortie du bras s'avère nécessaire et qui reste fermée en conditions normales , assurant ainsi le bon fonctionnement du circuit de pilotage.

L'invention est décrite en détail à l'aide d'une excava- trice sur chenilles . Il est clair que le même procédé et le même dispositif de sécurité peuvent être apphqués sur toute autre machine de chantier tel que bull-dozer, grue, pelle mécanique, etc. .

Il n'est pas nécessaire que la machine avance sur chenilles , le même procédé et dispositif sont valables sur des engins avançant sur des roues . Dans ce dernier cas, ce sont les axes des roues qui se déplacent par rapport au châssis de la machine et on peut détecter, d'une façon similaire que dans l'exemple décrit, l'écartement d'une partie d'un des axes des roues par rapport à une partie fixe du châssis .

De même, l'homme du métier peut apporter de nom¬ breuses variantes dans la détection du basculement, dans la façon de capter la détection, dans la transformation des informations captées et le traitement des données. On peut également concevoir dans l'exemple décrit que les capteurs ne sont pas dédoublés mais que ce dédoublement se fait lors du traitement des données . En fonction de la machine, le constructeur appliquera le procédé et le dispositif suivant l'invention en tenant compte des particularités propres de chaque machine.