Boîte de vitesses pour pulvérisateur à air comprimé : Entraînement du souffleur de brumisation pour vergers

Pénétration de la canopée : l'importance du flux d'air dans la pulvérisation en verger

Un pommier adulte occupe un volume de canopée de 200 à 600 mètres cubes, soit une distribution dense et tridimensionnelle de feuilles et de fruits répartis sur des branches dont l'espacement varie de 15 mètres (diamètre extérieur de la canopée) à zéro (groupes de branches intérieures). Les pulvérisateurs à rampe classiques pulvérisent le liquide par des buses indépendantes à faible vitesse (0,5 à 2 m/s à l'extrémité de la buse), suivant des trajectoires balistiques interceptées par les feuilles extérieures de la canopée à 1 ou 2 mètres du pulvérisateur. La partie intérieure profonde de la canopée, où se situe 60 à 80 % de la surface totale des fruits, n'est pas pulvérisée avec un système de pulvérisation standard. Un système avancé boîte de prise de force à air comprimé résout ce problème en entraînant un ventilateur centrifuge à grande vitesse qui génère des vitesses de flux d'air de 15 à 30 m/s à la sortie du ventilateur — suffisamment rapides pour transporter les particules de brouillard de pulvérisation à travers toute l'épaisseur de la canopée et déposer du liquide sur toutes les surfaces des feuilles et des fruits, quelle que soit leur position dans le volume de l'arbre.

Le principe de la pulvérisation par jet d'air nécessite deux sorties distinctes de l'équipement : le flux d'air principal généré par le ventilateur à grande vitesse et le liquide pulvérisé injecté dans ce flux d'air au point d'atomisation et de dispersion maximales. La pompe de pulvérisation (généralement une pompe centrifuge identique à celle d'un pulvérisateur à rampe standard, fonctionnant entre 2 500 et 3 500 tr/min) injecte 1 à 3 litres de liquide par minute dans la sortie du ventilateur principal, où l'air à grande vitesse atomise le liquide en gouttelettes de 100 à 150 micromètres de diamètre. Cette taille de brume cible, bien plus fine que les gouttelettes de 200 à 400 micromètres des pulvérisateurs à rampe classiques, pénètre plus efficacement dans le couvert végétal et se dépose sur les faces internes des feuilles, plus petites et plus profondément imbriquées que les grandes feuilles externes qui captent la pulvérisation de la rampe.

Entraînement de ventilateur à grande vitesse : de la prise de force à la vitesse de l’air dans la verrière

La vitesse de l'air à la sortie du ventilateur est directement proportionnelle à sa vitesse de rotation (en négligeant les pertes en aval dans la gaine) : la vitesse de rotation du ventilateur est approximativement égale à la vitesse de l'air divisée par le rayon des pales. Un ventilateur centrifuge dont le rotor a un diamètre de 200 millimètres et qui tourne à 6 000 tr/min produit une vitesse d'air d'environ 20 m/s (calcul : 6 000 tr/min × 0,2 m de rayon ÷ 60 s/min = 20 m/s). Une vitesse plus élevée engendre une vitesse d'air plus importante (loi d'affinité : la vitesse est proportionnelle à la vitesse de rotation), ce qui permet à un opérateur expérimenté d'ajuster la profondeur de pénétration dans la canopée en contrôlant activement la vitesse du ventilateur via le système de commande de vitesse de la prise de force du tracteur ou via une transmission à rapport variable intégrée à la boîte de vitesses. À partir d'une prise de force de 540 tr/min, atteindre une vitesse de ventilateur de 6 000 tr/min nécessite un rapport de multiplication de 1:11,1, bien supérieur aux capacités d'un ventilateur à un seul étage et exigeant une puissance considérable. boîte de vitesses du pulvérisateur à air comprimé avec deux ou trois étages d'engrenages pour répartir le rapport total.

La configuration la plus courante est une conception à deux étages : un étage d'entrée à engrenages coniques à angle droit assure une multiplication de vitesse de 1:3 à 1:3,5, suivi d'un étage de sortie à engrenages hélicoïdaux à arbres parallèles offrant une multiplication supplémentaire de 1:3 à 1:3,8, pour des rapports de réduction combinés de 1:9 à 1:13,3. Cette conception concentre l'engrènement à vitesse maximale (l'étage de sortie hélicoïdal) dans un agencement compact et permet aux deux étages de fonctionner dans leurs plages de vitesse et de couple optimales. Certains fabricants d'équipements haut de gamme utilisent par ailleurs une conception de boîte de vitesses à deux étages à engrenages hélicoïdaux à arbres parallèles (conception en cascade) sans engrenage conique à angle droit. Cette conception sacrifie la flexibilité directionnelle d'un engrenage conique en entrée (obligeant l'arbre de prise de force à arriver horizontalement), mais gagne en simplicité mécanique et en rendement légèrement supérieur en éliminant les pertes dues à l'engrènement conique.

Avec une prise de force à 1 000 tr/min, le rapport requis tombe à 1:6 ou 1:8, ce qui reste supérieur aux capacités d'un réducteur à un seul étage (1:5 ou 1:6 maximum), mais réalisable avec une conception plus simple à deux étages. Des fabricants comme Boîte de vitesses de prise de force Ever-Power Nous proposons de plus en plus de réducteurs de vitesse spécifiques à 1 000 tr/min pour les systèmes de soufflage d'air, destinés au segment des équipements haut de gamme où les prises de force à vitesse élevée sont la norme. La légère réduction du rapport de démultiplication global se traduit directement par un réducteur plus compact, un coût inférieur et un rendement accru — des atouts précieux dans les régions fruitières compactes où les équipements de soufflage d'air de haute performance sont concentrés.

Contrôle de vitesse variable : adaptation du débit d’air aux conditions de la canopée

La pénétration et le dépôt du produit pulvérisé par jet d'air dépendent étroitement de l'équilibre entre la vitesse de l'air et le débit du liquide. À très haute vitesse d'air (ventilateur de plus de 8 000 tr/min, soit plus de 25 m/s) et faible débit, la brume est extrêmement finement atomisée, mais risque d'être emportée par le vent avant d'atteindre les surfaces cibles – un problème particulièrement préoccupant par temps venteux ou dans les vergers ouverts peu protégés du vent. À l'inverse, à plus faible vitesse d'air (ventilateur de 4 000 tr/min, soit 12 m/s) et débit plus élevé, les gouttelettes sont plus grosses et se déposent plus facilement, mais le flux d'air ne pénètre pas suffisamment pour que la brume pénètre profondément dans les canopées denses. Le point de fonctionnement optimal varie selon le type de culture (canopée dense ou clairsemée), la taille des arbres (nains ou de grande taille) et les conditions météorologiques (vitesse du vent, humidité, température).

Les pulvérisateurs à air comprimé de pointe intègrent donc des systèmes de transmission ou d'embrayage à vitesse variable permettant à l'opérateur de régler en continu la vitesse du ventilateur entre 4 000 et 8 000 tr/min sans modifier la vitesse de la pompe de pulvérisation principale. Sur les équipements modernes, ce réglage est réalisé soit par une transmission secondaire sophistiquée à vitesse variable, montée entre la sortie de la boîte de vitesses principale et l'entraînement du ventilateur, soit par une boîte de vitesses à rapports multiples avec sélection de vitesses fixes (généralement trois à cinq vitesses, de la plus basse à la plus haute). La solution la plus simple et la plus pratique, et la plus courante chez les petits exploitants agricoles, consiste à régler la vitesse de la prise de force via le régulateur de vitesse du moteur du tracteur. Ce système permet d'adapter la vitesse du ventilateur aux conditions du terrain, tandis que la pompe de pulvérisation principale est alimentée par un circuit d'entraînement indépendant.

Le boîte de vitesses du pulvérisateur à air comprimé Le réducteur doit être conçu pour fonctionner à n'importe quel point de sa plage de vitesse sans contrainte thermique ni mécanique. Cette exigence est plus contraignante que pour un réducteur de pompe à vitesse fixe, car la conception des roulements et des engrenages doit permettre à la fois un fonctionnement à pleine puissance (vitesse maximale) et un fonctionnement à charge partielle (vitesse minimale), sans que la précharge des roulements ne chute excessivement ni que le fonctionnement thermique ne dépasse les limites acceptables. Les engrenages hélicoïdaux à grande vitesse génèrent une perte de rendement (et donc une chaleur) plus importante à vitesse partielle qu'à pleine vitesse si le réducteur n'est pas conçu pour compenser cette caractéristique.

Conception aérodynamique du ventilateur et contrôle du bruit

Le ventilateur lui-même ne fait pas partie du réducteur (ce dernier ne fournit que la vitesse de rotation), mais les caractéristiques de vitesse de sortie et de couple du réducteur influencent fortement le point de fonctionnement du ventilateur sur sa courbe aérodynamique. Un ventilateur centrifuge présente une relation aérodynamique complexe entre la vitesse, le débit et la pression ; s'éloigner du point de fonctionnement optimal (vitesse et contre-pression pour lesquelles il a été conçu) entraîne une instabilité du flux d'air, générant un débit pulsatoire, du bruit et une dégradation de la qualité de la pulvérisation.

Un réducteur de haute qualité, assurant une vitesse de sortie stable et régulière quelles que soient les conditions de fonctionnement et la charge, permet au ventilateur de fonctionner constamment près de son point de fonctionnement nominal. À l'inverse, un réducteur conçu avec une variation de vitesse importante (supérieure à ±3 % en fonction de la charge) provoque des oscillations du ventilateur autour de ce point, générant des pulsations audibles (un bruit sourd semblable à celui d'un hélicoptère) indiquant une recherche de stabilité. Ce fonctionnement pulsatoire caractéristique réduit la qualité de la pulvérisation, augmente les nuisances sonores pour les riverains (un problème majeur dans les zones fruitières intensives où les vergers jouxtent les habitations) et peut accélérer l'usure des roulements et des pales du ventilateur en raison des contraintes cycliques liées à un fonctionnement hors conception.

Le niveau de pression acoustique mesuré à 1 mètre d'un pulvérisateur à air comprimé correctement réglé est généralement de 85 à 92 décibels pondérés A – un niveau sonore élevé, mais tolérable pour les opérateurs équipés de protections auditives pendant les 2 à 4 heures de fonctionnement quotidien de cet équipement durant la courte saison d'enrobage des fruits. Une boîte de vitesses présentant des oscillations de vitesse peut augmenter ce niveau sonore de 3 à 5 dB(A) – soit un doublement subjectif du volume sonore perçu, rendant l'utilisation désagréable et potentiellement dangereuse. L'utilisation d'une huile pour engrenages synthétique (à base de PAO, ISO VG 220) et d'engrenages hélicoïdaux à rapport de contact élevé et faible jeu sont les caractéristiques de conception des boîtes de vitesses qui minimisent les pulsations de vitesse et le bruit sur les entraînements de pulvérisateurs à air comprimé à grande vitesse.

Gestion thermique à haute vitesse de rotation

La puissance électrique dissipée sous forme de chaleur dans une boîte de vitesses est directement proportionnelle au couple d'entrée et inversement proportionnelle au rendement de la boîte. Une boîte de vitesses à grande vitesse transmettant 30 ch avec un rendement global de 92 % dissipe en continu 30 × 0,08 ÷ 0,92 = 2,6 kW de chaleur. Cette chaleur doit être évacuée par la surface du carter de la boîte afin d'éviter que la température de l'huile ne dépasse sa température maximale de fonctionnement admissible (généralement de 95 à 110 °C pour une huile minérale et de 105 à 120 °C pour une huile synthétique PAO). La surface disponible pour l'évacuation de la chaleur d'une boîte de vitesses compacte à grande vitesse est limitée : un carter occupant un volume de seulement 0,5 mètre cube présente une surface maximale d'environ 6 mètres carrés. Sous les tropiques, à des températures ambiantes de 35 à 40 °C, le différentiel de température disponible pour le transfert de chaleur par convection n'est que de 55 à 75 °C, et le coefficient de transfert de chaleur par convection naturelle n'est que de 5 à 10 W/(m²·K). Dans ces conditions, le refroidissement par convection naturelle est insuffisant pour maintenir une température d'huile sûre sans refroidissement forcé supplémentaire.

La plupart des souffleurs d'air commerciaux boîte de vitesses agricole Les pulvérisateurs sont donc équipés d'un refroidisseur d'huile : soit un refroidisseur à ailettes en aluminium refroidi par ventilateur, soit un refroidisseur liquide échangeant de la chaleur avec le circuit de refroidissement du moteur du tracteur. Le refroidisseur doit être dimensionné pour la dissipation de puissance maximale de la boîte de vitesses dans les conditions extrêmes de forte chaleur. Une boîte de vitesses de 30 ch fonctionnant à une température ambiante de 40 °C et dissipant 2,6 kW nécessite un refroidisseur d'une capacité d'au moins 3 kW pour maintenir une température de fonctionnement sûre, en tenant compte de l'encrassement et de la dégradation de l'efficacité au fil de la saison. Un refroidisseur sous-dimensionné ou mal spécifié est une cause majeure et bien documentée de défaillances thermiques et de pannes catastrophiques des boîtes de vitesses des pulvérisateurs à air comprimé commerciaux, entraînant l'oxydation de l'huile, la détérioration des roulements et la rupture prématurée des dents d'engrenage.

Entretien saisonnier et entreposage hors saison

Les pulvérisateurs à air comprimé ont des cycles d'utilisation très saisonniers : généralement de 30 à 100 heures de fonctionnement concentrées sur une période de 6 à 12 semaines, lorsque les fruits atteignent le stade de croissance critique qui détermine leur taille finale et leur valeur marchande. Les longues périodes d'inactivité caractéristiques entre les saisons de pulvérisation actives posent des défis de maintenance uniques et exigeants. Pendant le stockage, le réducteur subit des variations de température qui attirent l'humidité dans le carter par l'orifice de ventilation. Toute exposition à la pluie ou à une forte humidité peut saturer l'air emprisonné à l'intérieur du carter. Cette humidité s'accumule au point le plus bas du carter (le fond du carter d'huile) où elle amorce la corrosion par piqûres sur les engrenages et les surfaces de roulement. Ces piqûres de corrosion agissent comme des points de concentration de contraintes, favorisant l'apparition de fissures de fatigue dans les roulements, plus tôt que dans un matériau non piqué.

La préparation avant saison doit inclure une vidange d'huile avec de l'huile synthétique PAO neuve pour engrenages, une inspection visuelle de tous les paliers pour détecter toute décoloration ou corrosion, et un nettoyage complet du refroidisseur d'huile afin d'éliminer toute poussière ou débris accumulés. Pendant la saison d'utilisation, surveillez quotidiennement le flux d'air du refroidisseur : les feuilles, la poussière de fruits et les particules provenant d'autres équipements de pulvérisation à proximité s'accumulent sur les ailettes du refroidisseur et réduisent progressivement son efficacité de refroidissement. Si la température de l'huile dépasse 100 °C dans des conditions normales d'utilisation, le refroidisseur doit être nettoyé avant de reprendre son fonctionnement. Contrôle quotidien du Arbre de prise de force Le graissage des joints de cardan est essentiel : le fonctionnement prolongé à haute vitesse génère une chaleur de friction et une usure nettement supérieures au niveau des roulements des joints de cardan par rapport aux outils agricoles à basse vitesse. L’usure des roulements s’accélère si la graisse n’est pas maintenue à un niveau optimal. Les fournisseurs d’équipements spécialisés dans les réducteurs préconisent des joints de cardan renforcés (série 6 ou supérieure, avec un couple nominal plus élevé) pour les applications de nettoyage par jet d’air, afin de prolonger la durée de vie de la transmission dans cet environnement de fonctionnement à haute vitesse.

Foire aux questions

Éditeur : Cxm