Utilisation d’un tensiomètre de lame de moulin à scie
- bouliannerobin
- 7 janv.
- 10 min de lecture
Dernière mise à jour : 9 janv.
Introduction
Pour bien performer, la lame d’une scie à ruban doit être correctement tendue. Si elle est trop lâche, la coupe ne sera pas droite et la lame peut débarquer de sur ses volants sous l’effet de la force appliquée pour avancer dans le bois. Si elle est trop raide, la durée de vie de la lame et des autres éléments mécaniques du moulin à scie seront écourtés. De plus, une trop grande traction dans la lame peut causer une rupture lors de l’utilisation.
Typiquement, la lame est montée sur 2 volants. Le volant menant est celui entraîner par le moteur. L’autre est appelé le volant mené. Le tendeur applique une force sur l’axe du volant mené. Ainsi, la force appliquée par le tendeur est le double de la force de traction dans la lame.
Pour bien utiliser un tensiomètre il est important de bien distinguer les principes suivants :
1- Force F: Une force est exprimée en livre, en kg ou en Newton.
2- Contrainte σ (Stress): Une contrainte est une force par unité de surface exprimée en livre/pouce carré (PSI), en kg/mètre carré ou en Pascal.
3- Déformation L (Strain):Une déformation est un allongement de la lame exprimée en pouce, cm ou millièmes.
4- Section A: La section est la surface perpendiculaire obtenue si on coupe la lame à angle droit. La section est exprimée en pouce carré ou en mètre carré.
Selon ces définitions, si on applique une force de traction de 1000 livres sur une barre carrée de 1 pouce par 1 pouce, on produira une contrainte interne de 1000 PSI dans la barre. La même force appliquée sur une barre de ½ po. x ½ po. produira donc une contrainte de 4000 PSI.
Donc, la contrainte σ est égale à la force divisée par la section = F/A.
Tensiomètre
Un tensiomètre est un appareil permettant d’évaluer la force ou la contrainte présente dans un matériau. Un tensiomètre qui mesure la force est basé sur une déformation angulaire de la lame. Un tensiomètre qui mesure la contrainte est basé sur la déformation longitudinale (élongation) de la lame.
Le tensiomètre d’élongation mesure une déformation (étirement) sur une certaine longueur de référence. Il fournit donc une lecture de contrainte. Il est bien important de noter ici que le tensiomètre ne donne pas une mesure de force (i.e. livres) mais bien une mesure de pression en PSI (contrainte interne). Deuxièmement, cette pression n’a rien à voir avec la pression lue sur l’indicateur de pression (en PSI lui aussi) qu’on retrouve sur le tendeur de lame de certains modèles de moulin à scie.
Théorie utile à un tensiomètre d'élongation
Dans la zone de déformation élastique de l’acier, une constante permet de relier la contrainte interne de la lame à la force de traction selon la déformation mesurée. Cette constante se nomme le module de Young ‘s. Le module de Young’s de l’acier est une constante qui vaut 29 millions de PSI.
Le module de Young’s « E » se définit comme suit :
E=F / A * Li / (L-Li)
Où :
E = Module de Young’s = 29 000 000 PSI
F = Force de traction appliquée en livres
A = Surface de la section de la lame en pouces carrés.
L = Longueur de la lame lorsque la force de traction est appliquée.
Li = Longueur de la lame avant d’appliquer une force de traction. Pour un tensiomètre d’élongation, Li est une constante qui est définie lors de la conception de l’appareil. On la définit ici à 5 pouces faute de connaître la valeur exacte.
Les manufacturiers de lames fournissent la contrainte nominale à respecter pour l’utilisation des lames. Ils se gardent évidemment une marge pour éviter d’atteindre la limite élastique. Cette dernière est la contrainte maximale (et non pas la force) qu’un matériau peut endurer sans se déformer de façon permanente et irréversible. Pour une lame de moulin à scie, il ne faut évidemment pas atteindre cette valeur sans quoi la lame va s’étirer et devra être rebutée.
La contrainte nominale typique pour l’acier ordinaire utilisé pour les lames de moulin à scie se situe entre 15 000 PSI et 20 000 PSI tandis qu’on atteint 25 000 à 34 000 PSI pour des aciers de haute qualité (bilame, springsteel ou carbure).
Ce sont ces valeurs limites qui constituent le rapport F/A (aussi en PSI) maximal que la lame peut endurer.
Comme les lames de qualité supérieure coûtent plus chère elles sont plus rares, En l’absence de l’information sur le grade d’acier d’une lame quelconque amenée par un client, il est plus sage de faire les calculs avec la moyenne entre 15 000 et 20 000 PSI soit 17 500 PSI.
Avec ça, on a enfin tout ce qu’il faut pour déterminer la force de traction dans une lame en mesurant sont élongation.
Et le tensiomètre d’élongation dans tout ça?
Dans l’équation suivante, l’instrument permet de mesurer L. On connait (i.e. le manufacturier en a tenu compte dans la conception de l’instrument) le Li qui est la distance entre les 2 points d’ancrage. Le cadran pour sa part intègre le module de Young’s de sorte qu’on peut lire directement une valeur de pression[1] :
F/A = (L-Li) / Li * 29 000 000
Et, par calcul seulement, on peut obtenir la force :
F = (L-Li) / Li * 29 000 000 * A
Exemples :
Exemple 1 :
Le tensiomètre d’élongation donne une valeur de 17 500 PSI sur une lame de 1,25 pouces de largeur (donc 1 po. dans la partie la plus étroite) et de 0,042 pouce d’épaisseur. Quelle force de traction y a-t-il d’appliqué sur la lame?
F/A = 17 500 donc F=17 500 * A
A = 1 * 0,042 = 0,042 pouce carré.
Donc F = 17 500 Lbs/po.ca. * 0,042 po. ca. = 736 lbs.
Exemple 2 :
Le tensiomètre d’élongation donne la même valeur de 17 500 PSI sur une lame de 1,5 pouces de largeur (donc 1,25 po. dans la partie la plus étroite) et de 0,045 pouce d’épaisseur. Quelle force de traction y a-t-il d’appliqué sur la lame?
F/A = 17 500 donc F=17 500 * A
A = 1,25 * 0,045 = 0,05625 pouce carré.
Donc F = 17 500 Lbs/po.ca. * 0,05625 po. ca. = 985 lbs.
Le lecteur aura bien compris qu’une lame plus grosse subit une force de traction plus grand si elle est étirée de la même longueur. Ces 2 exemples démontrent donc très bien que la même valeur lue sur le tensiomètre d’élongation donne 2 forces différentes pour des lames dont les dimensions sont différentes. Ça confirme donc qu’on ne peut pas relier la pression lue sur le manomètre du tendeur avec la valeur lue sur le tensiomètre d’élongation sans faire intervenir la dimension de la lame.
Considérations de construction du moulin.
Il y a 2 choses à considérer ici :
1- La rigidité de la structure qui supporte les volants de la lame.
2- Le design du tendeur de lame.
Rigidité du moulin :
Comme on l’a démontré plus haut, si on installe une lame plus grosse sur un moulin à scie et qu’on mesure la contrainte dans la lame avec tensiomètre d’élongation, on peut briser le châssis qui supporte les volants de la scie car le tensiomètre donnera la même valeur mais la force de traction est vraiment plus grande.
De même, les axes (shafts) de volants seront beaucoup plus sollicités. Ceci peut amener la rupture des axes par fatigue plus rapidement.
À l’inverse, si on applique toujours la même force sur le tendeur du moulin à scie avec une lame plus petite ou sur une lame qui a été affûtée plusieurs fois, on peut s’approcher de la limite élastique de la lame et causer sa rupture prématurément. On fait abstraction ici des jeux de forces internent additionnels qui interviennent lorsque les dents arrivent en contact avec le bois. De plus, la tension dans la lame n’est pas égale partout. La partie de la lame qui va du tronc d’arbre jusqu’au volant menant ressent la force appliquée par le moteur en plus.
Il est donc très important de bien comprendre l’utilisation du tensiomètre sans quoi il peut amener à des situations fâcheuses.
Design du tendeur
Il y a plusieurs principes de tendeurs. Certains sont à vis, d’autre sont à levier et d’autres enfin sont hydrauliques. Cependant, comme on l’a vu plus haut, aucun ne permet de déterminer la contrainte absolue dans la lame sans avoir recours à un tensiomètre. Au mieux, ces principes permettent de répéter la force de traction sur l’axe du volant.
En hydraulique, la force d’un cylindre de poussée dépend de sa surface intérieure et de la pression d’huile qu’on applique. Ainsi, sur un cylindre de 2 pouces de diamètre interne, une pression hydraulique de 1000 PSI permettra de pousser 3 141 livres.
La même pression de 1000 PSI imposée à un cylindre de 1.5 pouces de diamètre interne permettra de pousser 1 767 livres.
Donc, en faisant abstraction des autres mécanismes qui peuvent démultiplier la force du cylindre du tendeur, on voit bien que la conception de ce dernier a tout à voir avec la force qui est vraiment appliquée sur l’axe du volant mené de la lame. Il faut aussi garder en mémoire que la force appliquée par le tendeur est le double de la tension dans la lame.
Autrement dit, 1 000 PSI obtenu sur le tendeur d'un moulin à scie donné ne tend pas nécessairement la lame à la même force que le même 1 000 PSI sur un moulin à scie différent. On ne peut donc pas se fier sur ça non plus pour bien tendre la lame du moulin.
Interprétation des tableaux fournis dans le document du tensiomètre d’élongation
Le tableau suivant donne les valeurs de limite élastique (donc F/A) pour différents grades d’acier. On a besoin de ces valeurs pour déterminer le F/A et faire les calculs de force.
Pour sa part, le tableau suivant relie la rigidité du moulin à scie avec la lame qu’on y installe. Comme on l’a vue plus haut, plus la lame est grosse et moins la valeur indiquée par le tensiomètre d’élongation doit être élevée pour éviter de briser le moulin. On observe aussi que le manufacturier met une limite pour éviter la destruction du moulin.
Conclusion
1- Sans les connaissances et les calculs appropriés, l’utilisation du tensiomètre d’élongation ne donne pas les bonnes valeurs de tension de la lame.
2- La contrainte nominale de l’acier en cause ne doit pas être dépassée pour éviter les fissures hâtives dans l'âme de la lame.
3- La rigidité du moulin pose une limite additionnelle à la tension de la lame.
4- L’indicateur de pression du tendeur de lame n’informe pas sur la tension de la lame mais il permet de reproduire une tension évaluée précédemment avec un tensiomètre.
Discussion :
La longueur de la lame n’a rien à voir dans l’utilisation d'un tensiomètre.
La géométrie de la lame (présence des dents) influence sa déformation linéaire. La position du tensiomètre d’élongation sur la lame est donc importante. Plus il y a de dents entre les 2 points d’ancrage du tensiomètre d'élongation et plus la tension dans la lame sera faussement interprétée pour une lecture donnée.
La littérature fournie avec le tensiomètre d’élongation est anémique et ne permet pas au commun des mortels d’obtenir la tension dans la lame.
Certains scieurs relatent que lorsque les courroies des volants sont usées, la fréquence des fissurations dans les lames est plus grande. Bien que ce soit un fait avéré, il n’y a pas d’explication théorique à cela sinon que la courroie de caoutchouc change (i.e. : amorti) la fréquence de résonnance et le niveau d’impact dans la lame. La fatigue par vibration (donc la fissuration) s’en trouverait amoindrie mais ça reste à prouver.
Il existe d’autres principes de tensiomètres. Ceux utiliser pour mesurer la tension dans les haubans de mât des bateaux à voile par exemple est basé sur la déformation angulaire du hauban plutôt que sur sa déformation linéaire. Cette approche réduit la complexité d’interprétation de la valeur significativement puisqu’il ne s’agit alors que d’un rapport géométrique de forces.
Le manufacturier du moulin doit fournir la limite de tension que la structure de la scie peut supporter. Autrement dit, ce n’est pas parce qu’on met une lame plus grosse qu’on peut la tendre plus.
Après chaque affûtage, votre affûteur devrait inscrire les informations suivantes sur la lame:
L'aire de la section résiduelle de l'âme de la lame après l'affûtage en pouce carré.
La tension que la lame peut supporter pour respecter la contrainte nominal à 17 500 PSI.
La donnée de déflexion si un tensiomètre TensHOPs est utilisé.
Tensiomètre TensHOPs de 1200W Inc.
Le tensiomètre TensHOPs reprend le principe des tensiomètres de haubans de bateau. Par un jeu d’angles, la force de tension dans la lame réduit la déflexion qui est créée par des ressorts. La mesure de cette déformation est relationnelle avec la tension dans la lame.
Chaque TensHOPs est étalonné à l’usine pour plus de justesse.
Le tensiomètre est fourni avec le tableau suivant qui relie la mesure de la déflexion à la tension de la lame directement :
Avantages du tensiomètre TensHOPs par rapport à un tensiomètre d'élongation
Pas besoin de faire des calculs compliqués in situ pour bien doser la tension de la lame.
Jusqu’à un certain point, la déflexion est indépendante de la grosseur de la lame. Un scieur qui mélange les formats de lames obtiendra donc les bonnes tensions de lame chaque fois sans y prendre garde.
Si la puissance du moteur et les dimensions des poulies sont fournies, on peut l’intégrer dans le tableau et une meilleure valeur de tension peut être obtenue pour ainsi augmenter la durée de vie des lames. Par exemple, une poulie de 6 pouces de diamètre montée sur un moteur de 18 hp qui entraîne un volant de 20 pouces de diamètre oblige une réduction de 59 livres sur la tension de la lame. Ceci signifie que plus le moteur est puissant et plus il faut réduire la tension de la lame.
Même sans l’indicateur numérique, le TensHOPs peut fournir une bonne appréciation de la tension dans la lame. Ainsi utilisé il peut très bien servir à reproduire la tension après un changement de lame. Il faut se rappeller que le tendeur ne peut pas permettre ça.
Outre sa plus grande facilité de déterminer la force de traction dans la lame, le tensHOPs est aussi significativement moins cher. Il se vend au tier d’un prix d’un tensiomètre d’élongation.
Sa mesure n'est pas affectée par la position du tensiomètre sur la lame.
[1] Il est à noter que la section de la lame varie entre les 2 points d’ancrage du tensiomètre alors on assume que Wood-Mizer l’ont considéré dans leur échelle de mesure. Il faut aussi éviter que la soudure de la lame se retrouve entre les 2 points d’ancrage du tensiomètre.
P.S.: Il y a 2 autres textes qui traitent d'aspects différents sur le sujet dans la section BLOG du site www.1200W.CA.
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