L’avenir des essais est électrique
Après sept décennies de prédominance des systèmes hydrauliques, la deuxième révolution dans le domaine des essais est en marche. L’actionnement électrique remplace les systèmes hydrauliques dans les laboratoires du monde entier, et ses avantages vont bien au-delà des simples performances.
Fondé en 2007, STEP Lab s’est imposé comme un pionnier de cette révolution. Dès ses débuts, l’entreprise s’est consacrée à l’étude et au développement de systèmes de test basés sur des mouvements électriques. STEP Lab se concentre sur des technologies capables de remplacer efficacement et avec un haut niveau de performance les anciennes solutions à base d’huile. La gamme de produits se divise actuellement en deux familles principales : EA et UD.
Les deux technologies
Série EA
Actionneurs électromécaniques, basés sur une vis à billes de haute précision et très fiable.
Cette technologie trouve sa meilleure application dans :
- Essais dynamiques sur les boucles de régulation de position et de force, jusqu’à 35 Hz, avec une accélération pouvant atteindre 4 G
- Essais statiques sur la boucle de régulation de position
- Essais statiques sur la boucle de régulation de force (essais de fluage)
Actuellement, la gamme de produits des actionneurs électromécaniques couvre une large plage de forces :
Série UD
Actionneurs électrodynamiques basés sur des moteurs linéaires à haute dynamique.
Cette technologie est la meilleure du marché pour les applications suivantes :
- Essais dynamiques sur la boucle de régulation de position et de force, avec une fréquence d’essai supérieure à 250 Hz et une accélération de> 90 G
- Essais à vitesse de déformation élevée
- Reproduction en laboratoire de l’acquisition d’historiques temporels à haute dynamique
La charge dynamique (de fatigue) maximale atteinte par les actionneurs électrodynamiques est de 100 kN. En réalité, la technologie des moteurs linéaires permet de dépasser cette valeur.
Avantages opérationnels des systèmes électriques
Le système d’actionnement électrique offre un rendement très élevé grâce à deux caractéristiques importantes :
Entraînement direct
L’énergie électrique convertie en énergie mécanique est directement appliquée au dispositif sous test (DUT), en particulier dans les actionneurs électrodynamiques (moteurs linéaires). Dans ces actionneurs, il n’y a pas de transmission mécanique : la force électromagnétique est transmise directement du moteur linéaire à la tige de l’actionneur. Cela permet d’obtenir un rendement très élevé du système, généralement supérieur à 85 %.
Effet « KERS » (système de récupération d’énergie cinétique)
Lors d’un essai cyclique, pendant la demi-phase où la machine doit réduire l’énergie d’un échantillon, cette énergie est récupérée et stockée dans des condensateurs, afin d’être réutilisée lors de la phase suivante. Cet effet est d’autant plus important que la vitesse et la fréquence d’essai augmentent.
Ces deux caractéristiques permettent de réaliser une économie d’énergie totale de 60 % à 80 % par rapport au système d’essai hydraulique, et dans certaines conditions (fréquence d’essai = fréquence propre de l’échantillon), cette économie dépasse 90 %.
Économies d’énergie typiques par rapport à un système hydraulique
Économies à la fréquence d’essai de résonance
Rendement de l’entraînement direct (moteurs linéaires)
Là où l’électrique s’impose
Les avantages de l’actionnement électrique couvrent la précision, la dynamique, la consommation d’énergie, la disponibilité, les coûts d’exploitation et l’impact environnemental. Vous trouverez ci-dessous une analyse détaillée de chaque aspect pertinent, accompagnée de données comparatives réelles lorsque celles-ci sont disponibles.
Précision et répétabilité
Électrique
- Précis sur toute la plage de vitesse (0,1 à 4 000 mm/s)
- Contrôle de position et de vitesse en boucle fermée avec une répétabilité de l’ordre de 1 µm
- Insensible aux variations de température et à l’hystérésis mécanique
Hydraulique
- Une bonne précision est possible (mais seulement après un long réglage des paramètres PID)
- Les limites des soupapes mécaniques réduisent la précision à des vitesses extrêmes
- La température de l’huile, la compressibilité, l’hystérésis des soupapes et le frottement des joints ont tous une incidence sur la répétabilité
Performances lors des essais dynamiques
Pour les essais de fatigue, ce qui importe, c’est la valeur efficace de la charge appliquée, ce qui signifie qu’un actionneur dynamique peut fournir une amplitude de crête supérieure à ce qu’indique sa valeur nominale statique. Pour les essais de choc ou de crête, les moteurs à courant continu sans balais peuvent supporter une surcharge de courant momentanée afin de produire une force supplémentaire pendant quelques secondes. Aucun circuit hydraulique spécial d’accumulation de pression n’est nécessaire.
| Caractéristiques techniques | Électrique (par exemple, STEP Lab KUD080-L2) | Hydraulique (CONCURRENT) |
|---|---|---|
| Course | 300 mm / 12 in | 250 mm / 10 in |
| Des performances optimales | 41 kN @ 5.0 m/s | 33.5 kN @ 3.5 m/s (180 gpm HPU) |
| HPU obligatoire | Ce n’est pas nécessaire | 525,600 unit (1,960 l) |
| Autonomie (typique) | 95% (+876 heures par an) | 85% |
Consommation d’énergie et efficacité opérationnelle
Le passage d’un système d’actionnement hydraulique à un système électrique marque un véritable tournant en matière de gestion énergétique et de réduction des coûts. Contrairement aux groupes hydrauliques, qui doivent fonctionner en continu à pleine pression quelle que soit la demande, les actionneurs électriques ne consomment de l’énergie que lorsqu’ils sont en mouvement. De plus, ils intègrent des condensateurs permettant la récupération de l’énergie cinétique (KERS), qui captent l’énergie lors de la décélération et la réinjectent dans le système. Une étude indépendante menée par l’Université des sciences appliquées d’Ostfalia confirme que les systèmes électriques peuvent être jusqu’à six fois plus efficaces que les configurations hydrauliques traditionnelles.
Analyse comparative des coûts (pour 1 000 heures de fonctionnement)
| Paramètres | Électrique (par exemple, STEP Lab KUD080-L2) | Hydraulique (concurrent) |
|---|---|---|
| Consommation électrique | 85 kW | 270 kW |
| Consommation d’énergie | 85 MWh | 270 MWh |
| Coût annuel d’exploitation* | $ 53.800 | $ 170.880 |
*Sur la base d’un coût énergétique de 85 $/MWh.
Économies annuelles réalisées en passant à l’électricité
Frais d’entretien
Les systèmes hydrauliques nécessitent une gestion régulière des fluides et des joints. Les actionneurs électriques ne nécessitent qu’un graissage périodique des glissières linéaires ; pour le reste, l’entretien est réduit à néant.
| Article | Électrique (annuel) | Hydraulique (annuel) |
|---|---|---|
| Pétrole | $0 | $2,500 |
| Filtres | $0 | $750 |
| Tuyaux et joints | $0 | $3,000 |
| Refroidisseur | $500 | $500 |
| Total | $500 | $6750 |
Sécurité, environnement et bruit
Électrique
- Aucune fuite d’huile, aucun risque d’incendie lié au fluide hydraulique
- Sans vapeurs d’huile, compatible avec les salles blanches
- Pas de frais liés à l’élimination des huiles usagées
- Bruit de l’actionneur : environ 55 dB au repos, environ 68 dB en fonctionnement
- Aucune protection auditive ni isolation acoustique n’est nécessaire
Hydraulique
- Les fuites d’huile nécessitent un nettoyage régulier du sol
- Les vapeurs de pétrole polluent l’air et l’environnement
- Élimination coûteuse des huiles usagées soumise à réglementation
- Niveau sonore du HPU : environ 72 dB (nécessite souvent le port d’une protection auditive)
- Des infrastructures spéciales peuvent être nécessaires pour l’isolation acoustique
Conclusion
Le passage des essais hydrauliques aux essais électriques n’est pas une perspective d’avenir, mais une transition déjà en cours. La technologie est arrivée à maturité, son champ d’application est vaste, et le coût total de possession favorise de plus en plus les systèmes électriques, tant en termes de précision que d’énergie, de maintenance et d’impact environnemental.
Grâce à leurs architectures entièrement électriques, les systèmes du STEP Lab offrent un fonctionnement plus propre, une plus grande précision et un coût de cycle de vie réduit par rapport aux solutions hydrauliques.
Si vous recherchez une machine d’essai entièrement électrique, STEP Lab propose l’une des solutions les plus avancées et les plus fiables du marché.
| Caractéristiques | Électrique | Hydraulique |
|---|---|---|
| Précision | Précision à toutes les vitesses ; régulation en boucle fermée de la position et de la vitesse | Fonctionne bien après un long réglage du PID ; présente des difficultés à très haute ou très basse vitesse |
| Plage de force | Plage de charge : < 1 kN – 200 kN ; couvre 95 % des cas d'utilisation | 1 kN – 2 000 kN ; de préférence supérieur à 200 kN |
| Essais dynamiques | Jusqu’à plus de 250 Hz ; surcharge de crête possible grâce à l’amplification du courant du moteur | Cela fonctionne, mais la réponse de la soupape mécanique est limitée |
| Consommation d’énergie | 60 à 80 % de moins ; récupération d’énergie par le KERS lors d’essais cycliques | Fonctionnement continu à pleine puissance, quelle que soit la demande réelle |
| Installation | Prêt à l’emploi (raccordement électrique uniquement) | Installation complexe ; nécessite une infrastructure comprenant un groupe hydraulique |
| Entretien | Minime (lubrification périodique des guidages linéaires uniquement) | Changements d’huile réguliers, remplacement des joints, gestion des fuites |
| Pollution atmosphérique et environnementale | Zéro (compatible salle blanche) | Vapeurs d’huile, fuites, élimination coûteuse des huiles usagées |
| Bruit de fonctionnement | Généralement inférieur à 60 dB | Élevé (peut nécessiter le port d’une protection auditive ou une insonorisation) |
FAQ
Les actionneurs électriques peuvent-ils remplacer entièrement les actionneurs hydrauliques ?
Quelle est la différence entre les actionneurs électromécaniques et les actionneurs électrodynamiques ?
Quelle est la réduction réelle de la consommation d’énergie des actionneurs électriques ?
En général, entre 60 % et 80 % par rapport à un système hydraulique équivalent. Ce résultat est obtenu grâce à deux mécanismes : l’entraînement direct (sans pertes de transmission mécanique) et un système de récupération d’énergie cinétique (KERS) qui capte et stocke l’énergie pendant la phase de décélération des essais cycliques. Dans des conditions d’essai en résonance, les économies peuvent dépasser 90 %.
Les actionneurs électriques sont-ils adaptés aux environnements de salles blanches ?
Dans quelle mesure l’installation est-elle plus complexe que celle d’un système hydraulique ?
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