CONCEPTION D’UN SYSTEME DE PIVOTEMENT AUTOMATIQUE …biblio.univ-antananarivo.mg/pdfs/... · élément de transmission à engrenages permet de réaliser le pivotement de l’hydrolienne

CONCEPTION D’UN SYSTEME DE PIVOTEMENT

AUTOMATIQUE POUR UNE HYDROLIENNE NON

Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du diplôme d’ingénieur en Génie

Présenté par : RAJOELISOLO Miandrisoa

Directeur de mémoire : Monsieur R



REVERSIBLE


mécanique productique.

RAJOELISOLO Miandrisoa

Monsieur RASOLDIER Olivier

Date de soutenance

Année universitaire




Date de soutenance : 18 Janvier 2013

nnée universitaire : 2011-2012

REMERCIEMENTS

REMERCIEMENTS

Ce travail n’a pas pu être mené à terme sans l’aide et la contribution de nombreuses

personnes.

Nous adressons particulièrement ma sincère gratitude à :

Monsieur ANDRIANARY Philippe, Directeur de l’Ecole Supérieure Polytechnique

d’Antananarivo, qui ma permis de poursuivre mes études au sein de l’école durant

ces quelques années.

Monsieur RAKOTOMANANA Charles Rodin, Chef de département Génie Mécanique

et Productique, option Génie Industriel de l’Ecole Supérieure Polytechnique

d’Antananarivo, qui nous a fait l’honneur de présider le jury de cette soutenance.

Messieurs les membres de jury, qui ont accepté de valider notre soutenance de

mémoire de fin d’études.

Monsieur RASOLDIER Olivier, Enseignant chercheur au Département Génie

mécanique et productique de l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo, qui

nous a accepté d’examiner ce travail, et a donné des divers conseils lors de

l’élaboration de cet ouvrage.

Nous réitèrons mes remerciements à :

Notre famille, qui n’a pas cessé de prodiguer son soutien aussi bien matériellement

que moralement durant nos études.

A tous les enseignants et personnel de l’Ecole pour leur dévouement.

A tous ceux qui, de près ou de loin, ont contribué à l’élaboration de ce travail.

SOMMAIRE

REMERCIEMENTS

SOMMAIRE

TABLE DES MATIERES

INTRODUCTION

PARTIE I : GENERALITES ET NOTIONS SUR L’HYDROLIENNE ET LE SITE D’IMPLANTATION

PARTIE II : PROPOSITION DE SOLUTIONS ET DIMENSIONNEMENT

PARTIE III : ANALYSE ECONOMIQUE ET IMPACT ENVIRONNEMENTAL

CONCLUSION GENERALE

BIBLIOGRAPHIE

WEBOGRAPHIE

LISTE DES FIGURES

LISTE DES TABLEAUX

ANNEXES

TABLE DES MATIERES

INTRODUCTION ET PROBLEMATIQUE ………………………………………………………………………………………………1

PARTIE I : GENERALITES ET NOTIONS SUR L’HYDROLIENNE ET LE SITE D’IMPLANTATION………………….3

CHAPITRE 1 : GENERALITE SUR L’HYDROLIENNE……………………………………………………………………………….3

1) Hydrolienne…………………………………………………………………………………………………………………………3

1.1) Présentation………………………………………………………………………………………………………………….3

1.2) Classification des hydroliennes……………………………………………………………………………………..3

2) Exigences pour une implantation de l’hydrolienne………………………………………………………………7

2.1) Spécifications d’une hydrolienne………………………………………………………………………………….7

2.2) Critères d’implantation…………………………………………………………………………………………………7

2.3) Maintenance………………………………………………………………………………………………………………..8

CHAPITRE 2 : CARACTERISTIQUES DE L’HYDROLIENNE SMART-HYDRO ET DONNES DU SITE…………...9

D’IMPLANTATION

1) Présentation de l’hydrolienne de SMART-HYDRO……………………………………………………………….9

1.1) Spécifications techniques et système de gestion électrique………………………………………..9

1.2) Conditions d’exploitation…………………………………………………………………………………………..10

2) Particularités de l’hydrolienne…………………………………………………………………………………………..11

2.1) Avantage de l’hydrolienne smart-hydro……………………………………………………………………..11

2.2) Inconvénients de l’hydrolienne smart-hydro………………………………………………………………11

2.3) Solutions proposées pour minimiser les inconvénients de l’hydrolienne…………………...11

3) Caractéristique du lieu d’implantation………………………………………………………………………………11

3.1) Climatologie……………………………………………………………………………………………………………….12

3.2) Interprétation graphique des données climatiques……………………………………………………13

3.3) Calcul des marées………………………………………………………………………………………………………16

3.4) Application numérique………………………………………………………………………………………………17

PARTIE II : PROPOSITION DE SOLUTIONS ET DIMENSIONNEMENT………………………………………………….20

CHAPITRE 1 : SOLUTIONS POUR LA REVERSIBILITE………………………………………………………………………….20

1) Conceptions pour la réversibilité………………………………………………………………………………………20

1.1) Différentes sorte d’ancrage………………………………………………………………………………………..21

1.2) Différents modèles de structures porteuses………………………………………………………………22

1.3) Types de mécanisme………………………………………………………………………………………………….24

1.4) Système de commande de la réversibilité………………………………………………………………….27

2) Système retenu………………………………………………………………………………………………………………..29

2.1) Critère de choix…………………………………………………………………………………………………………29

2.2) Chaine cinématique du modèle retenu…………………………………………………………………….31

CHAPITRE 2 : DETERMINATIONS DES CHARGES ET DIMENSIONNEMENT……………………………………….32

TABLE DES MATIERES

1) Dimensionnement de l’ancrage……………………………………………………………………………………32

1.1) Calcul du poids………………………………………………………………………………………………………32

1.2) Dimension de l’ancrage…………………………………………………………………………………………33

2) Dimensionnement des structures porteuses……………………………………………………………….34

2.1) Les efforts et contraintes dans chaque barre……………………………………………………….36

2.2) Réactions aux appuis……………………………………………………………………………………………38

2.3) Dimensionnement des liaisons démontable………………………………………………………..41

2.4) Norme et règlementation des soudures………………………………………………………………44

3) Dimensionnement du pivot et de ses éléments de liaison……………………………………………45

3.1) Elément de liaison entre l’hydrolienne et l’arbre de transmission…………………….46

3.2) Arbre de transmission……………………………………………………………………………………….59

3.3) Choix des roulements pivot du suivant les charges appliquées………………………..70

3.4) Elément de transmission…………………………………………………………………………………..78

CHAPITRE 3 : SYSTEME DE COMMANDE………………………………………………………………………………………86

1) Principe de fonctionnement……………………………………………………………………………………..86

1.1) Commande manuelle…………………………………………………………………………………..87

1.2) Commande automatique…………………………………………………………………………….87

2) Simulation des commandes……………………………………………………………………………………..87

2.1) Présentation du logiciel………………………………………………………………………………87

2.2) Résultats après la simulation……………………………………………………………………..88

3) Calcul de la motorisation…………………………………………………………………………………………..92

3.1) Couple du moteur et courant nominal……………………………………………………….92

3.2) Dimensionnement des câbles électriques et des protections…………………….94

CHAPITRE 4 : DESSINS DE DEFINITION ET GAMME D’USINAGE…………………………………………………..97

1) Dessins de définition et tableau de fabrication de l’ensemble………………………………..97

1.1) Ancrage de stabilisation……………………………………………………………………………..97

1.2) Eléments constituants de la structure porteuse………………………………………….99

1.3) Griffe de liaison………………………………………………………………………………………….105

1.4) Arbre téléscopique……………………………………………………………………………………108

1.5) Arbre de pivot…………………………………………………………………………………………..113

1.6) Entretoise…………………………………………………………………………………………………115

1.7) Raccord supérieur…………………………………………………………………………………….115

1.8) Raccord inférieur………………………………………………………………………………………118

1.9) Poulies d’entrainement…………………………………………………………………………….119

2) Présentation du modèle réduit………………………………………………………………………………121

2.1) Modèle de structure…………………………………………………………………………………121

2.2) Modèle de commande……………………………………………………………………………..122

TABLE DES MATIERES

PARTIE III: ANALYSE ECONOMIQUE ET IMPACT ENVIRONNEMENTAL………………………………………….124

CHAPITRE 1 : ANALYSE ECONOMIQUE……………………………………………………………………………124

1) Evaluation du coût du projet……………………………………………………………………….124

1.1) Modèle sans pivot…………………………………………………………………………………124

1.2) Modèle avec pivot…………………………………………………………………………………128

2) Etude de rentabilité…………………………………………………………………………………….132

2.1) Introduction…………………………………………………………………………………………132

2.2) Détermination de la VAN……………………………………………………………………..132

2.3) Taux d’interne de rentabilité TIR………………………………………………………….136

2.4) Délai de récupération du capital investi (DRCI)…………………………………….136

CHAPITRE 2 : IMPACT ENVIRONNEMENTAL…………………………………………………………………..138

1) Contexte général………………………………………………………………………………………..138

1.1) Environnement du site d’implantation………………………………………………..138

2) Impact environnementaux………………………………………………………………………….138

2.1) Impacts positifs……………………………………………………………………………………138

2.2) Impacts négatifs…………………………………………………………………………………..139

3) Mesure d’atténuation pour les impacts négatifs…………………………………….…..139

CONCLUSION……………………………………………………………………………………………………………………………..141

1

INTRODUCTION

Ce mémoire est consacré à l’adaptation d’une hydrolienne à immerger dans une embouchure. L’hydrolienne est un générateur électrique qui exploite l’énergie cinétique des courants marins. L’appareil est conçu pour les cours d’eau avec un sens d’écoulement. L’avantage de l’hydrolienne par rapport aux turbines hydroélectriques est l’absence d’ouvrage coûteux de génie civil. L’appareil pourrait être ainsi facilement déplacer sur d’autres sites.

L’objectif est d’exploiter l’énergie des courants dans les deux sens

d’écoulement à différentes profondeurs dues marées sans modifier l’appareil. Pour atteindre cet objectif, nous avons adopté la démarche suivante: - la première partie consacrée sur les généralités, les notions sur une

hydrolienne et le site d’implantation, - la deuxième partie sur les propositions de solutions et les

dimensionnements et - la troisième partie sur l’analyse économique et les impacts

environnementaux.

Un modèle réduit justifie les hypothèses de calcul et démontre la faisabilité de notre choix. Un système de commande, mu par un moteur pas à pas qui entraine un élément de transmission à engrenages permet de réaliser le pivotement de l’hydrolienne dans le sens du courant marin. Le moteur est piloté par un microprocesseur ou par un logiciel à interface graphique manipulable, conçu pour la démonstration.

2

PARTIE I : GENERALITES ET NOTIONS SUR L’

HYDROLIENNE ET LE SITE D’IMPLANTATION.

3

PARTIE I : GENERALITES ET NOTIONS SUR L’ HYDROLIENNE ET LE SITE D’IMPLANTATION.

Cette partie est consacrée à la présentation des hydroliennes en général et à Smart-

hydro en particulier. Nous aborderons les problèmes liés à son implantation dans une embouchure. CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR L’HYDROLIENNE

1) Hydrolienne 1.1) Présentation

L’hydrolienne est une machine ou un groupe hydro-électrique constitué, d’une part, d’une turbine hydraulique ou « hélice » ; et d’autre part, de générateur électrique et d’équipement de transmission et de régulation destiné à fonctionner dans l’eau.

1.2) Classification des hydroliennes Une étude préalable est nécessaire avant la mise en place d’une hydrolienne afin

d’obtenir un rendement d’énergie maximum. En effet, la prise en compte des paramètres, la vitesse des courants, les forces agissant sur l’hélice, la profondeur de l’eau où l’hydrolienne sera implantée doivent être déterminées. Ensuite, la connaissance des différents types de population végétale et le régime des vagues liées aux conditions météorologiques permettent aussi de mener à bien l’implantation. Tous ces paramètres conduisent au choix des structures porteuses et type de turbine tels que l’hydrolienne à axe horizontale, l’hydrolienne à axe verticale et l’hydroplane.

1.2.1) Hydrolienne à axe horizontal Nous distinguons deux types d’hydroliennes :

� les « Marine Current Turbines » ou MCT (Figure 1) : ses caractéristiques sont résumées dans le Tableau 1.

� L’ Hammerfest Stroms ou AS (Figure 2) : ses caractéristiques sont dans le Tableau 2.

Figure 1 : Une turbine à axe horizontale MCT

Source : « Projet ADEM 1 : les hydroliennes »,

Centrale Paris et EDF, Mai 2005. [1]

4

Tableau 1 : Fiche technique de l’hydrolienne MCT

Description Avantages Inconvénients

- Hélice à bipales de 20m de diamètre environ. - Axe horizontale. - Puissance fournie :

500 < P < 1000kW

- Fixation : Pieu en acier fixé au fond de la mer. - Système de contrôle placé à 7m au-dessus de la mer. - Rendement : 27% environ.

- Surveillance facile. - Maintenance hors de l’eau. - Possibilité de poser un autre rotor sur le même support. - Possibilité de pivoter autour du pieu. - Espérance de vie : 20ans

- Profondeur maximale admissible 1OOm. - Vitesse moyenne du courant :

2,25 < v < 2,5m/s.

- Trafic maritime restreint à cause du dépassement. -Cout d’installation élevé.

Source : « Projet ADEM 1 : les hydroliennes », Centrale Paris et EDF, Mai 2005. [1] Figure 2 : Une ferme d’hydrolienne à axe horizontale AS

Source : « Projet ADEM 1 : les hydroliennes », Centrale Paris et EDF, Mai 2005. [1]

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Tableau 2 : Fiche technique de l’hydrolienne AS


-Hélice à 3 pales dont le diamètre est environ 10m. -Axe horizontale. -Puissance de 600kW par machine. -Fixé par gravité au fond la mer. -Hélice en matériaux composites renforcés par de la fibre de verre.

- Hélice résistante et hydrodynamique. - Implantation à 17m sous la surface de l’eau. - Possibilité de l’installer à proximité de la cote.

- Profondeur maximale d’implantation 50m. - Les experts ont trouvés des fuites d’huile du multiplicateur sur les prototypes d’essais.


1.2.2) Hydrolienne à axe vertical Ce second type d’axe n’est représenté que par l’hydrolienne Ponte Di

Archimede (Figure 3). Ces caractéristiques sont résumées dans le tableau 3. Figure 3 : une hydrolienne à axe verticale

Source : « Projet ADEM 1 : les hydroliennes », Centrale Paris et EDF, Mai 2005.

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Tableau 3 : Fiche technique de l’hydrolienne à axe verticale


- Prototype constitué d’une plate-forme flottante ancrée en 4 points. - Axe vertical. - Pale en acier recouvert de résine de carbone. - Bras radiaux en fibre de verre. - Puissance de 120kW - Vitesse du courant 3m /s. - Rendement 23% environ.

- Sens de rotation indépendante du sens de courant. - Couple de démarrage très important. - Structure porteuse flexible par rapport à la profondeur du site. - Possibilité de placer le générateur hors de l’eau. Impact environnemental très faible. - Possibilité de navigation au-dessus du site. -Possibilité de fonctionner dans une zone où le courant est élevé.

- Phénomène de cavitation sur toute la pale.


1.2.3) Hydroplane Le principe faisant fonctionner une hydroplane est similaire à celui des ailes d’avions

(Figure 4). Mais, ici, en tant que variante de l’hydrolienne, ce sont les courants qui permettent à l’hydroplane de se soulever et s’abaisser pour produire de l’énergie : principe d’effet de portance (Tableau 4). Figure 4 : Structure d’ hydroplane


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Tableau 4 : Fiche technique d’une hydroplane

Description Avantages Inconvénient

- La structure porteuse à une hauteur de 20m. - Fixation par gravité au fond de l’eau. - Se positionne face au courant à angle d’attaque variable. - Amplitude maximale 50° - Oscillation du bras entraîne le pompage du fluide qui alimente un moteur hydraulique couplé à un générateur électrique. - Puissance de 150kW. - Rendement 20%.

- La forme des pales. - Absence total de risque de cavitation. - Possibilité de navigation au-dessus du site.

- La profondeur marine inférieure à 100m.


2) Exigences pour une implantation de l’ hydrolienne L ’hydrolienne représente un obstacle aux pêcheurs. Ils ont, effectivement, peur que

leurs filets passent au-dessus de ces installations en acier ou on matériaux composite en mouvement. En réalité, seule les gros chalutiers n’ont pas l’autorisation de s’approcher de ces sites d’hydroliennes. Mais les petits bateaux de pêche sont autorisés à accéder à ces zones.

2.1) Spécifications d’une hydrolienne

L’hydrolienne est une machine qui réponde à plusieurs critères. D’abord, elle doit se maintenir en place et résister aux forces hydrodynamiques du courant. Les structures métalliques et le système d’ancrage doivent résister à la corrosion. En effet, contrairement à l’affirmation que l’acier est facilement attaqué par l’eau salée, la corrosion ne constitue pas un problème majeur lorsqu’une structure en acier est immergée dans la mer, car les produits sont recouverts d’une couche de peinture d’une classe de protection très élevée. « Les fondations des plates-formes de l’industrie pétrolière ont normalement une durée de vie d’environ 50 ans.» [1] Ensuite, l’hydrolienne a pour rôle de turbiner au mieux le flux d’eau du flot et du jusant pour produire de l’énergie électrique. Le principe de fonctionnement est de transformer l’énergie mécanique en énergie électrique pour fournir de l’électricité à moindre coût. Enfin, elle devrait gêner au minimum la navigation et le milieu vivant dans l’eau.

2.2) Critères d’implantation Il faut en premier lieu déterminer les besoins spécifiques correspondants à chaque

type d’hydrolienne ensuite choisir le bon lieu assurant la fixation la plus stable et enfin mettre en évidence les contraintes environnementales.

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Le grand défi lancé pour ces types d’énergie est la réduction de coût de réalisation à savoir le coût de fabrication du système tout entier jusqu’à la mise en place définitive et opérationnelle de l’hydrolienne. Mais, jusqu’ici la réalisation de ce type d’installation est coûteuse. Cependant, les recherches sur l’amélioration de l’hydrolienne ne cessent de se développer. Actuellement, il existe, par exemple, des machines exploitables à faible profondeur même de quelques mètres. (Voir sur www.smart-hydro.de) Par ailleurs, en ce qui concerne les matériaux constituant le système d’ancrage, il a été prouvé que l’acier est meilleur que le béton. Deux compagnies d’électricité et trois bureaux d’ingénieurs danois ont réalisé ensemble une étude pionnière en 1996-1997 sur la conception et les coûts des fondations installés en mer. « L’étude a conclu que, dans le cas de fondations destinées à un parc, l’acier est beaucoup plus compétitif que le béton ». [1]

2.3) Maintenance La maintenance se présente sous différents types. Premièrement, il est obligatoire de changer les composants de l’hydrolienne lorsque des pièces sont hors d’état de fonctionner. Deuxièmement, à part les réparations, la maintenance consiste aussi à faire un suivi et contrôle du système tout entier. Par ailleurs, durant l’opération de suivi et de réparation, il est préférable d’utiliser des lubrifiants dont la viscosité est élevée, des para-huiles de haute étanchéité, des coussinets et des hélices suffisamment résistant pour minimiser la fréquence de maintenance.

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CHAPITRE 2 : CARACTERISTIQUES DE L’HYDROLIENNE SMART-HYDRO ET DONNEES DU SITE D’IMPLANTATION

L’objectif, ici, est de présenter l’hydrolienne de SMART-HYDRO, ses spécifications

techniques ainsi que les conditions d’exploitation ; tout ceci suivi d’illustrations sur les avantages et les inconvénients. Enfin, nous proposerons une solution pour résoudre la réversibilité de l’hydrolienne.

1) Présentation de l’hydrolienne SMART-HYDRO Le but de ce mémoire est d’électrifier une zone enclavée. Le problème consiste à améliorer le système d’exploitation d’une hydrolienne existante sans modifier son principe de fonctionnement. Figure 5: Photo de l’hydrolienne de SMART-HYDRO

Source : www.smart-hydro.de

1.1) Spécifications techniques et système de gestion électrique

L’hydrolienne fournit par Smart-hydro produit une puissance allant jusqu’à 5kW. Elle extrait l’énergie cinétique de l’eau et la transforme en énergie électrique. La plage de vitesse d’écoulement de l’eau est comprise entre 1 à 3.5m/s. De plus, une autre particularité que cette hydrolienne possède est qu’elle arrive à accélérer l’eau à travers le rotor ou l’hélice. Cette accélération induite est ensuite achevée à la sortie de l’hydrolienne grâce à sa forme, fait exprès dans le but de diminuer la pression à la sortie de la turbine.

Le rotor, à son tour, est connecté directement avec l’arbre de transmission du générateur, protégé par une cage de protection. A la sortie du générateur, des câbles sous-marins relient le système de gestion électrique du système auxiliaire et de la batterie d’accumulation. De même, l’hydrolienne, elle-même, possède des prises à sa sortie, spécialement conçues pour connecter une autre hydrolienne au cas où on souhaite augmenter la puissance.

Le tableau 5 ci-dessous représente les valeurs spécifiques de l’hydrolienne Smart-hydro. Tableau 5: Tableau des spécifications techniques de l’hydrolienne Smart-hydro

Poids total de l’hydrolienne 300kg Dimension (Longueur, largeur et hauteur) 147*174* 197cm Diamètre du rotor 1000mm Vitesse de rotation de l’arbre 90-230 tr/mn

Source : www.smar-hydro.de

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Le système de gestion électrique, appelé aussi Electrical Management System (EMS)

transforme le courant, la tension et la fréquence variables. L’EMS a pour tâche : • Maximiser l’efficacité du système par une méthode de balancement de l’énergie

pendant la variation de consommation des utilisateurs : ce système est composé en générale des appareils auxiliaires et une batterie.

• Transformer et filtrer le courant et la tension de sortie : il est à noter que la forme des signaux à la sortie de l’EMS est alternative et monophasée avec une fréquence stable de 50 à 60Hz.

• Le système est capable de développer une puissance de l’ordre de 5kW. • L’EMS relie et assure le transport de l’énergie entre la turbine et l’auxiliaire de

charge, de même, de la batterie de stockage et du réseau de dispersion de charge : des systèmes modulaires extensibles supplémentaires intégrant avec la turbine sont disponibles pour modifier la puissance développée selon la valeur voulue ; de 10, 15, 20kW, ...

D’autres particularités, les valeurs de la tension disponible à la sortie de l’EMS sont de l’ordre de 230-240V/110-127V/96VDC et sont stables. De plus, les banques de charge sont intégrées, les systèmes de protection électrique sont séparés et enfin le système de gestion est doté d’un système de communication intégré à un moniteur historique qui permet de connaitre l’état de la batterie. La figure 6 ci-après, représente le schéma de l’installation de l’ensemble. Figure 6: Schéma de l’installation de l’ensemble

Source: www.smart-hydro.de

1.2) Conditions d’exploitation

L’hydrolienne ne peut fournir sa puissance maximale que si les conditions de l’eau sont respectées (caractéristiques prescrites par les constructeurs). La puissance et la performance à la sortie de la turbine dépendent de la vélocité de l’écoulement. La forme de l’hydrolienne est conçue à s’adapter aux différents comportements de l’eau. La turbine à été également dessinée avec soin pour minimiser l’impact environnemental surtout la vie aquatique.

Le tableau 6 indique les valeurs minimales à respecter pour que le rendement ou la puissance développée atteignent la valeur de 5kW.

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Tableau 6 : Valeurs minimales pour obtenir la puissance 5kW. Profondeur minimum : 1.8m Vitesse minimum de courant: 1m/s Vitesse de courant de la rivière pour obtenir une puissance maximale à la sortie :

2.4m/s

Vitesse maximum de courant : 3.5m/s Profondeur maximal pour immerger le modèle : 10m Source : www.smart-hydro.de.

2) Particularités de l’hydrolienne Comme nous l’avons vue précédemment, selon la technologie, on rencontre de

nombreux principes de fonctionnement suivant le lieu d’implantation et la puissance à fournir. Même si ces critères seront respectés, les hydroliennes possèdent toujours des avantages et des inconvénients.

2.1) Avantages de l’hydrolienne smart-hydro

Cette machine a été spécialement conçue pour satisfaire les besoins en électricité des particuliers, et elle possède les avantages suivants :

• coût d’installation faible • installation facile et rapide • poids assez faible, donc facilité de transport • production d’énergie possible à faible profondeur • production de puissance au-delà de 5kW, on associant plusieurs hydroliennes • fabriquer en plastique, donc inoxydable • stabilité de l’énergie produite quel que soit la vitesse d’écoulement de l’eau, la

fourchette prescrite. • adaptation automatique de l’hydrolienne suivant le niveau d’eau, grâce aux flotteurs

2.2) Inconvénients de l’hydrolienne smart-hydro

L’hydrolienne de Smart-hydro possède également ses propres inconvénients: • système d’ancrage assez faible • plage d’écoulement des eaux assez étroite • production d’énergie seulement dans un seul sens d’écoulement • conçue seulement à fonctionner dans la rivière • réversibilité impossible • possibilité de fonctionner dans une embouchure mais à rendement faible

2.3) Solutions proposées pour minimiser les inconvénients de l’hydrolienne

Pour que l’hydrolienne puisse fonctionner dans une embouchure avec un rendement maximal. Il faut que celle-ci soit réversible. Pour cela, on va concevoir un système de pivotement mécanique doté d’un ancrage.

3) Caractéristique du lieu d’implantation Nous choisissons comme région d’implantation la Région de Boeny. Elle se trouve au

Nord de Mahajanga avec les coordonnées de 15° 43’ S ud et 46° 19’ Est (figure 7).

L’hydrolienne sera implantée dans la rivière Morira à Antsanitia, commune rurale de Belboka à 25 km au Nord de la ville de Mahajanga et à 16 km de l’aéroport. Ce terrain fit partie de la Réserve Foncière Touristique du Littoral Belobaka. Antsanitia est accessible toute l’année par voie maritime ou terrestre.

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Figure 7 : Carte de Mahajanga incluant l’emplacement d’Antsanitia.

Source : www.antsanitia.com.

Figure 8 : Vue satellite du lieu d’implantation avec ses coordonnées exact (15°34’07.50 ’’Sud, 46°25’09.31’’Est)

Source : www.google-earth.com

3.1) Climatologie

La Région de Boeny, est l’une des régions les plus chaudes de Madagascar. On distingue officiellement deux saisons climatiques : la saison sèche et la saison de pluies. L’étude du climat à Mahajanga influe la réalisation de notre projet, c’est pourquoi des données climatologiques ont été cueillies auprès de la direction de météorologie de Madagascar. Les données représentées dans le tableau 8 et 9 sont pour les années 2009-2010, ceux de l’année 2010-2011, ne sont pas encore complètes.

13

Tableau 8: Tableau climatologie de Mahajanga en 2009-2010 (pluies et températures) Année : 2009/2010 Pluies en [mm] T° Max [°C] T° Min [°C]

Janvier 297.8 31.5 24.4 Février 341.5 32.0 24.1 Mars 108.5 31.8 24.4 Avril 43.5 32.3 23.5 Mai 0.0 32.1 21.0 Juin 0.0 31.8 20.0

Juillet 0.0 30.9 19.3 Août 0.0 31.4 19.8

Septembre 0.0 32.2 21.6 Octobre 2.9 33.2 33.2

Novembre 10.6 33.7 33.7 Décembre 186.1 33.0 33.0

Source : Direction météorologie de Madagascar.

Tableau 9 : Renseignements climatologiques de Mahajanga (moyenne de vent, direction du vent, vitesse des vents maximales) Année : 2009/2010

Moyenne de vent [km/h]

Direction [Rose de 8]

Vent Max [km/h]

Janvier 12 NE/NW 180 Février 11 NE/NW 180 Mars 10 E/NW 162 Avril 9 E/NW 250 Mai 9 E/SW 79 Juin 11 SE 108 Juillet 13 SE 180 Août 14 E/N 180 Septembre 16 E/NW 180 Octobre 15 E/NW 133 Novembre 16 E/NW 216 Décembre 12 E/NW 198 Source : Direction météorologie de Madagascar.

3.2) Interprétation graphique des données climatiques

Les courbes ci-après (figure 9 à 10) sont construites pour faciliter l’interprétation des données météorologique de Mahajanga.

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Figure 9 : Courbe des pluies à Mahajanga durant l’année 2009-2010.


Dans la courbe ci-dessus, on constate qu’au mois de février l’eau a remonté de

350mm environ, la saison des pluies est entre le mois de novembre et Avril. Figure10 : Courbe des températures maximales à Mahajanga durant l’année 2009-2010.


Dans cette figure, le mois de novembre représente la saison où la température atteint

sa valeur maximale de l’ordre de 33,5°C.

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Figure 11 : Courbe des températures minimales à Mahajanga durant l’année 2009-2010


A Mahajanga en mois de juillet la température est minimale et elle atteint la valeur de

19°C. Figure 12 : Courbe de la moyenne des vents.


Le mois de septembre et novembre le vent souffle aux alentours de 16 km/h et en mois d’avril mai sa valeur est de 9km/h.

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Figure 13 : Courbe des vents maximaux durant l’année 2009-2010


Le mois d’avril en 2009-2010 la météo a enregistré une rafale de 250km/h.

3.3) Calcul des marées Nous donnons ci-après les définitions de quelques mots relatifs aux marées.

Jusant : appellation donnée à une marée descendante, à ce moment les eaux de la mer se retirent. Flot : nom donné à une marée montante, à ce moment les eaux de la mer se dirigent vers la cote. Marnage : différence de niveau d’eau entre la mer haute et la mer basse. Nœud : unité de vitesse en mer. 1 �� 1.6��/� � 0.44�/�

Nous avons : ��é� ��

�� é� � ��é� �� 6

On divise par 6 l’expression ci-dessus car l’alternance des marées dure environ 6

heures. Donc :

�� é� � �� 6

��

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3.4) Application numérique PM : pleine mer. BM : basse mer. Date de prélèvement : 24 juillet 2011. Calcul de la durée de jusant : Dj BM = 03h03 PM = 09h46 �� ! � 3�03 � 9�46 � 6�46

�� é� 16 �� 6�466 � 1�07

Hauteur PM et BM : hBM = 1m50 hPM = 2m95 �� ! � 1�45 112 �� 1�4512 � 0.12

Tableau 10: Test de jusant Heure basse mer [heure] Hauteur basse mer [m] Vitesse du courant en

[Nœud] et [m/s] 3h03 + 1h07 4h10

''() + 1h07 5h17

('() + 1h07 6h24

*'() + 1h07 7h31

+'() + 1h07 8h38

,'() + 1h07 9h45

-'()

1m50 +0m12 1m62 = +0m12 1m74 +0m12 1m86 +0m12 1m98 +0m12 2m10 +0m12 2m24

1Noeud6 = 0.69m/s 2N9 = 1.28m/s 3N7 = 1.64m/s 4N8 = 2.13m/s 5N2 = 3.64m/s 2N3 = 1.02m/s

Date de prélèvement : 16/07/2011. Calcul de la durée de flot : BM = 17h03 PM = 23h21 �. � � � ! � 6�18

18

�� é� 16 �� .�� 1�03 Hauteur PM et BM : hPM = 4m00 hBM = 0m61 �� ! � 3�39 112 �� 3�3912 � 0�28

Tableau 11 : Test de flot. Heure basse mer [heure] Hauteur plein mer [m] Vitesse du courant en

[Nœud] et [m/s] 17h03 +01h03 18h06 +01h03 19h09 +01h03 20h12 +01h03 21h15 +01h03 22h18 +01h03 23h21

4m00 - 0m28 3m72

''() -0m56 3m16

('() -0m84 2m32

*'() -0m84 1m48

+'() -0m56 0m92

,'() -0m28 0m64

-'()

3N03 = 1.34m/s 4N02 = 1.78m/s 8N07 = 3.58m/s 9N03 = 4.01m/s 7N03 = 3.12m/s 4N02 = 1.78m/s

On remarque suivants tableaux ci-dessus que les vitesses de courant sont conformes

aux exigences de l’hydrolienne. Par conséquent, elle peut fonctionner correctement dans cette embouchure.

19

PARTIE II : PROPOSITION DE SOLUTIONS ET

DIMENSIONNEMENT

20

PARTIE II : PROPOSITION DE SOLUTIONS ET DIMENSIONNEMENT Cette partie est consacrée à la modélisation. Elle comporte quatre chapitres. Le

premier présente les solutions proposées pour la réversibilité. Le second illustre les démarches de calcul et les dimensionnements. Ensuite, le troisième chapitre est pour le système de commande de réversibilité. Enfin, pour le dernier chapitre, nous présenterons les dessins de définition finale et la gamme d’usinage des pièces.

CHAPITRE 1 : SOLUTIONS POUR LA REVERSIBILITE Nous allons concevoir un système de pivot mécanique doté d’un ancrage

permettant de faire tourner l’hydrolienne d’un angle de 180° tous les six heures. Différents modèles de pivot avec ancrage, avec les différents systèmes de commande et le système retenus sont présentés.

1) Conceptions pour la réversibilité

Pour la réversibilité, il faudrait immobiliser l’hydrolienne à un endroit fixe. Soit une structure porteuse munie d’un ancrage. Le pivotement de l’hydrolienne est possible à l’aide d’un pivot mécanique. En général, ce dernier relie l’hydrolienne avec la structure avec un seul degré de liberté (la rotation suivant l’axe horizontal) mais pour que l’hydrolienne puisse effectuer une rotation de 180° autour de cet axe, nous devons pos séder un système motorisé.

D’où les différents modèles d’ancrage, de structure, de pivot et de motorisation. La démarche adoptée est la suivante: comparaison entre les différents modèles proposés en retenant le plus performant et en associant pour obtenir l’ensemble final.

L’ordre de présentation des modèles sera: - La présentation de différentes sortes d’ancrage : trois types de matériaux (le

bois, l’acier et le béton) et trois formes (carré, cylindrique et sphérique) à comparer. Ces différents modèles retiennent le système sous l’eau. Les critères de fiabilité sont la résistance à la pénétration de l’eau, sa densité et le temps de fabrication.

- Les différents modèles de structures porteuses : � modèle 1 : Structure porteuse coudée (figure 14) � modèle 2 : Structure porteuse à trépied (figure 15) � modèle 3 : Structure porteuse à quatre poutres verticales

(figure 16) Ils possèdent les mêmes principes de fonctionnement.

- Les différents types de mécanisme pour l’entrainement de l’hydrolienne, 3

modèles seront présentés comme ceci: � modèle 1 : Mécanisme d’entrainement à moteur direct

(figure 17) � modèle 2 : Mécanisme d’entrainement à moteur couché

(figure 18) � modèle 3 : Mécanisme compliqué (figure 19)

21

Ces trois modèles sont entraînés par un moteur électrique avec différentes conditions d’entraînement pour chaque modèle. Par exemple, le couple d’entraînement du moteur, pour le modèle 1, doit être élevé afin d’entrainer le système. Par contre, pour le modèle 2, par l’intermédiaire des transmissions (vis sans fin et jeu de poulies), le couple d’entrainement de l’hydrolienne diminue 4 fois moins que celui du modèle 1. Pour le modèle 3, le mécanisme d’entrainement est le même que celui du modèle 2 mais l’arbre de transmission qui relie l’hydrolienne et la roue de la vis sans fin inclue différents mécanismes qui ont pour objectif d’éliminer les efforts inutiles pour le fonctionnement de l’hydrolienne.

- Le système de commande de la réversibilité est nécessaire afin que

l’hydrolienne fonctionne automatiquement sans l’intervention d’un opérateur d’où on verra quatre propositions de modèle de commande, telles que :

� modèle 1 : Système entrainé par un moteur électrique et actionné par deux capteurs de position, totalement électrique.

� modèle 2 : Système de commande par combinaison de mécanique et électricité.

� modèle 3 : système entrainé par un moteur pas à pas commandé par un logiciel.

� modèle 4 : système entrainé par un moteur pas à pas, commandé par un boitier à microprocesseur.

L’avantage avec ces modèles c’est que la commande est automatique et précise mais ils ont aussi leurs propres inconvénients. Par exemple, le modèle 1 est simple, non coûteux mais l’arrêt automatique est impossible. Ce problème est résolu dans le modèle 2 en faisant intervenir un système d’arrêt totalement mécanique mais la réalisation est compliquée. Tandis que pour les modèle 3 et 4, la réalisation est très facile mais le coût des matériels est élevé. 1.1) Différentes sortes d’ancrage L’ancrage est conçu dans le but de stabiliser un système. Il dépend de son

poids et de ses dimensions. Quelque soit le type d’ancrage utilisé, le poids joue un rôle très important pour la stabilisation mais les différents modèles d’ancrage seront différentiés par leur masse volumique donc le matériau qui le constitue définit sa propriété.

Comparons maintenant les différents matériaux pouvant être choisis pour la

fabrication des ancrages. On va comparer trois matériaux qui pourront satisfaire les besoins. Les ancrages seront immergés dans l’eau salée donc doivent être référenciés par rapport aux points suivants :

- comportements dans l’eau - coût de fabrication - masse volumique - temps nécessaire pour la réalisation et l’installation des ancrages.

22

Tableau 12 : Listes des matériaux pour l’ancrage Aciers Bois Bétons

Comportement dans l’eau Bonne** Mauvaise* Bonne*** Coût de fabrication Cher* Faible*** Moyen** Masse volumique Elevé*** Faible* Moyen** Temps réalisation et de l’’installation Elevé* Faible*** Moyen**

En totalisant le nombre d’étoiles pour chaque matériau, le béton est plus adopté.

Donc nous utiliserons le béton comme matériau pour l’ancrage. Tableau 13 : Forme de l’ancrage Cubique Cylindrique Sphérique Comportement dans l’eau (aérodynamique) Mauvais* Moyen** Bon***

Coût de fabrication Faible*** Moyen** Cher* Temps de réalisation Faible*** Moyen** Long*

En totalisons les étoiles de qualité, la forme cubique est le plus avantageuse. 1.2) Différents modèles de structures porteuses Afin de bien respecter les conditions de fonctionnement, différents modèles de

structures porteuses capables de supporter les contraintes sont proposés. Les figures ci-après représentent les différents modèles de structure porteuse

possible. Modèle 1 : L’ancrage est unique (figure 14).

Figure 14: Structure porteuse coudée

D’une part, les avantages de ce modèle sont :

� mono-ancrage, � économique en matériau, � facile à installer, � coût de réalisation faible, � entretient facile.

Les inconvénients sont : � stabilité difficile, � ancrage de dimensions élevées, � fragile,

23

� contrainte élevée, � système de commande, réalisation complexe.

Modèle 2 : (figure 15) Le système sur la figure suivante représente la structure porteuse à trépied. Figure 15 : Structure porteuse à trépied.


� stabilité élevée, � ancrage bien réparti, � coût moins élevé, � système de commande réalisable.

Les inconvénients sont : � installation difficile, � réalisation difficile, � modification de la ligne d’écoulement des eaux, � entretien compliqué.

Modèle 3 : (Figure 16) La figure ci-dessous représente le dernier modèle d’une structure porteuse. Il

est constitué de quatre barres verticales dotées chacune d’un ancrage à l’extrémité basse.

Figure 16 : Structure porteuse à quatre poutres verticales


� stabilité élevée, � ancrage de stabilité bien réparti, � grande surface de sustentation, � contrainte maîtrisable, � charge bien répartie,

24

� installation facile, � entretien facile, � système de commande facile, � écoulement de l’eau non modifié.

Les inconvénients sont : � coût de réalisation plus élevé que les autres modèles présentés, � nombreux éléments constituants.

1.3) Types de mécanisme Ce mécanisme n’est autre que le système qui entraine le pivot.

Modèle 1 : (Figure 17) La figure 17 ci-après représente l’ensemble d’un mécanisme constitué par un

moteur d’entrainement, deux roulements à butée et un arbre principal. Ce modèle est simple, et ne comporte aucun train d’engrenage. Figure 17 : Mécanisme d’entrainement à moteur direct

Analyse des forces : Figure 17a : Bilan des forces du mécanisme d’entrainement direct

25

Sur le schéma ci-dessus, on remarque trois sollicitations. La force F1 sollicite l’arbre d’entrainement à une contrainte de flexion et c’est elle également qui tend la structure à se renverser. Par contre, la force F2 tend l’arbre d’entrainement en traction ou en compression et stabilise la structure même si elle est hors ou immergée dans l’eau. Durant le pivotement de l’hydrolienne, un moment M, provoqué par le moteur d’entrainement sollicite l’arbre en torsion. Comme la vitesse d’entrainement est faible, cette contrainte est négligeable devant les autres contraintes. Les avantages de ce modèle sont :

� construction simple (coût de fabrication, temps de réalisation, maintenance) � équilibre statique parfait � poids assez élevé

Les inconvénients de ce modèle sont : � égalité de vitesse angulaire entre l’hydrolienne et moteur d’entrainement � la variation du niveau d’eau le perturbe � contrainte de flexion très élevée au niveau de l’arbre de transmission � blocage du système non automatique � couple résistant élevé

Modèle 2 : (Figure 18)

Sur ce modèle, le mécanisme d’entrainement inclue un jeu d’engrenage. Le principe est le même que précédemment. La différence réside au niveau de la vitesse de rotation de l’arbre différente de celle du moteur. Figure 18 : Mécanisme d’entrainement à moteur couché

Analyse des forces : Figure 18a : Bilan des forces du mécanisme d’entrainement à moteur couché

26

Sur ce modèle les réactions d’appui pour chaque ancrage sont différentes selon

l’emplacement du moteur. Les avantages de ce modèle sont :

� différence de vitesse angulaire entre l’arbre et le moteur d’entrainement, � blocage du système automatique, � couple résistant faible.

Les inconvénients sont : � coût de fabrication élevé � réalisation plus compliquée � poids élevé � déséquilibre du système � la variation du niveau d’eau le perturbe � contrainte de flexion élevée au niveau de l’arbre de transmission


Ce modèle est beaucoup compliqué que les précédemment. Il possède d’autres caractéristiques. En effet, ce modèle est capable de s’adapter automatiquement quelque soit le niveau d’eau et quelque soit la puissance des ondes d’eau. Figure 19 : Modèle de mécanisme plus compliqué

Sur l’arbre principal, on constate deux nouveaux éléments installés directement

en série (la chape et l’arbre télescopique). Ces éléments ont pour rôle de rattraper et d’éliminer les défauts provoqués par l’eau d’immersion.

27

L’arbre télescopique a pour fonction de varier la longueur de l’arbre principal quelque soit le niveau d’eau. Pourtant, la chape a pour mission d’éliminer l’effort hydrodynamique qui sollicite l’arbre en flexion.

Ce modèle a un coût de fabrication élevé et sa réalisation plus complexe. 1.4) Système de commande de la réversibilité Pour que le rendement du système soit maximal, le pivotement de l’hydrolienne

doit se faire automatiquement. L’objectif consiste à actionner le moteur d’entrainement à une vitesse constante

et à un moment précis. L’arrêt automatique du moteur après un parcours de 180°. Quelque soit le modèle utilisé, la mise en marche est assuré par un capteur immergé dans l’eau entrainée par le courant. Modèle 1 :

La combinaison de l’électricité et de la mécanique constitue l’atout de ce modèle. Le démarrage du moteur se fera à l’aide d’un interrupteur à contact. Par contre, l’arrêt sera réalisé grâce à un système mécanique appelé « came ». La came va interrompre la conduction d’électricité après avoir balayé 180° ex actement. Il est à noter que cette came sera liée directement à l’arbre de transmission.

Par ailleurs, sur ce modèle, nous utiliserons un moteur à courant continu et le principe du capteur restera le même. Le schéma de l’ensemble reste le même que celui du modèle 1. Par conséquent, nous allons présenter seulement que le schéma de son principe de fonctionnement.

Principe de fonctionnement : Le schéma ci-dessous représente le principe de fonctionnement du modèle

« semi-électrique et semi-mécanique ». Figure 20 : Schéma du principe de fonctionnement du modèle 2 du système de

commande.

Modèle 3 :

Dans ce modèle, nous utiliserons un moteur pas à pas avec comme avantage l’arrêt immédiat sans intervention de la came mécanique. Mais la commande se fait par l’intermédiaire d’un logiciel conçu spécialement pour orienter l’hydrolienne. Comme le montre la figure 21 ci-après.

Figure 21 : Système de commande par logiciel

28

Sur cette figure, nous remarquons que, le moteur pas à pas est piloté par un

ordinateur. Comme le capteur immergé présent dans l’installation a pour rôle de provoquer un signal de consigne.

Principe de fonctionnement : Le principe de fonctionnement de ce modèle est le suivant. Le capteur immergé

est emporté par le courant d’eau. Ensuite, il actionne et émet le contact du capteur de positon qui, à son tour, signale le logiciel qui commande le moteur pas à pas.

Figure 22 : Schéma du principe de fonctionnement du modèle 3 du système de

commande.

Sur ce schéma, pour former l’ensemble des commandes, on observe un ordinateur portable, un boitier de dérivation, une batterie, des capteurs de position et un moteur pas à pas.


Sur ce modèle, au lieu d’utiliser un logiciel, nous allons simplement incorporer un microprocesseur dans le boitier de dérivation.

Figure 23 : Système de commande par microcontrôleur

29

Principe de fonctionnement :

Le principe de fonctionnement de ce modèle est le même que celui du système à commande par logiciel, par un microprocesseur incorporé directement dans le boitier.

Figure 24 : Schéma du principe de fonctionnement du modèle 3 du système de commande.

2) Système retenu

2.1) Critère de choix Le critère de choix est basé sur la performance du système : robustesse,

simplicité, coût de réalisation et système écologique. Nous allons en premier lieu comparer les différentes structures porteuses, ensuite le mécanisme de transmission et enfin, le système de commande.

2.1.a) Comparaison des structures porteuses

Sur ce tableau, la première colonne liste la performance idéale, et les trois dernières colonnes listent les niveaux approprient suivi directement d’un étoile d’évaluation. (Voir tableau 12)

30

Tableau 12 a : Comparaison des structures porteuse proposée

Modèle 1 Modèle 2 Modèle 3 Coût Faible*** Moyen** Cher* Stabilité Faible* Moyenne** Bonne*** Robustesse Faible* Moyen** Robuste*** Installation Facile*** Difficile* Moyen** Réalisation Rapide*** Difficile* Moyen** Ancrage Mauvais* Moyen** Bonne*** Contrainte Elevée* Moyen** Faible*** Entretient Difficile* Moyen** Facile***

En interprétant ces résultats, la plus avantageuse entre ces structures est le

modèle 3. C’est celle avec les quatre barres verticales liées entre elles à l’aide des barres de niveau 1 et de niveau 2.

2.1.b) Comparaison du mécanisme de transmission : La méthode de comparaison est toujours la même et le mécanisme le plus

performant sera retenu. Comparaison : Le tableau ci-dessous compare la performance de chaque mécanisme proposé. Tableau 13 a : Comparaison du mécanisme de transmission proposé

Modèle 1 Modèle 2 Modèle 3 Coût Faible*** Moyen** Très élevé* Couple résistant Fort* Faible** Faible** Robustesse Moyen** Elevé*** Faible* Montage Facile*** Moyen** Compliqué* Réalisation Facile*** Moyen** Difficile* Blocage anti-retour Aucun* Bonne*** Bonne*** Entretient Rapide*** Moyen** Long* Variateur de vitesse Aucun* Possible*** Possible*** Contrainte de l’arbre Élevée* Élevée* Reduit***

Le plus avantageux entre ces mécanismes est le modèle 2, celui avec un arbre

de transmission sans intermédiaire entrainé à l’aide d’une vis sans fin. 2.1.c) Comparaison du système de commande: Le tableau ci-dessous représente la comparaison entre les modèles de

commande proposées. Tableau 14 : Comparaison du système de commande proposé

Modèle 1 Modèle 2 Modèle 3 Modèle 4 Coût Faible**** Moyen*** Assez élevé** Elevé* Arrêt automatique Non* Oui** Oui** Oui** Réalisation Facile*** Facile*** Moyen** Difficile* Durée de vie Elevée** Elevée** Faible* Moyen**

Les modèles 1 et 2 sont les plus avantageux. L’arrêt automatique adopté est le

système de commande du modèle 2, qui combine l’électricité et la mécanique dotée d’une came rotative.

31

Finalement, l’hydrolienne est soutenue par quatre poutres verticales en acier, stabilisées chacune par des ancres en béton. L’hydrolienne sera ensuite entrainée en rotation grâce à un arbre direct, entrainé en rotation à l’aide d’un système mécanique de transmission de mouvement vis sans fin, entrainée par un moteur à courant continu commandé mécaniquement et électriquement.

2.2) Chaine cinématique du modèle retenu :

La figure 25 ci-dessous représente la chaine cinématique de notre système retenu.

Figure 25 : Chaine cinématique du modèle retenu

Le principe de pivotement de notre hydrolienne est donc basé sur le courant

des marées montante ou descendante. Un capteur est immergé directement dans l’eau et il pivotera autour d’un point qui se situe à une distance d, comme le montre la figure 26 ci-dessous.

Figure 26 : Vue de dessus du capteur immergé

Ce capteur heurte ensuite un interrupteur de marche selon le sens du courant.

Sur la figure 26 par exemple, si le sens du courant se fait de gauche à droite, l’interrupteur de marche en rotation à droite est actionné. Ses interrupteurs se comportent comme un bouton poussoir, donc une répétition de coût successive n’a pas d’effet sur l’installation. Une fois le contact est mis, le moteur électrique est alimenté en courant de sens adéquat à l’interrupteur actionné. Par la suite le moteur entraine la vis sans fin par l’intermédiaire d’une transmission par courroie, et l’arbre de transmission et l’hydrolienne effectuent une rotation.

Lorsque l’hydrolienne effectue 180°, une came mécan ique heurte de nouveau un interrupteur d’arrêt instantané. Et le cycle se répète à nouveau, lorsque le sens du courant change. Il est à noter que la direction d’écoulement reste toujours le même.

32

CHAPITRE 2 : DETERMINATIONS DES CHARGES ET DIMENSIONNEMENT Ce chapitre se divisera en quatre. Nous verrons, en premier le dimensionnement de l’ancrage, puis le calcul de dimension des constituants de la structure porteuse, ensuite le dimensionnement du pivot avec ses éléments de transmission, et pour terminer, le calcul des éléments de transmission.

1) Dimensionnement de l’ancrage

1.1) Calcul du poids Pour obtenir une stabilité, le poids de l’ancrage est déterminant. Hypothèses:

� Supporter une charge élevée dans le cas d’une insuffisance d’eau (saison sèche),

� valeur de la poussée d’Archimède agissant sur les flotteurs durant la période cyclonique,

� forces hydrodynamiques durant la période cyclonique et � forces créent par des débris entrainés par le courant d’eau (tronc d’arbre, … etc.)

Figure 27 : Bilan des forces

P1 : Poids de l’hydrolienne P2 : Poids de l’arbre de transmission + poids du système d’entrainement + poids des poutres horizontales Pp: Poids d’une poutre verticale Pe : Poids d’un ancrage F1 = P1/2 : Force d’Archimède crée par le flotteur n°1 F2=F1 : Force d’Archimède crée par le flotteur n°2 Fh : Force renversante crée par le courant d’eau Mf : Couple qui tend à renverser l’ensemble d : distance du bras de levier

Pour l’application numérique, nous utiliserons les valeurs suivantes : P1=300 kg, P2=200 kg, Pp=50 kg, F1=F2=150 kg, Fh=150kg, d=1000 et

l=2200mm La Force renversante maximale enregistrée crée par le courant d’eau du côté de

Majunga est de 70kN. Cette valeur a été recueillie auprès de l’AGENCE PORTUAIRE MARITIME ET FLEUVIALE, département chargé de l’hydrographie et des dragages. Pour l’application numérique on l’a doublé cette valeur pour raison de sécurité.

33

Conditions d’équilibre : ∑1233334 � 034 ∑15333334 � 034 ∑ .678333333333334 � 034 ∑1233334 � 034 ∑15333334 � 4�93333334 : 1'3334 : 1(3334 : �'3334 : �(33334 : 4�63333334 � 034 4�9 � 1' � 1( : �' : �( : 4�6 � 0 ∑ .678333333333334 � 1;33334 < � : 2�63333334 < � � 034 1; < � � 2�6 < � � 0

= �6 � �1' � 1( : �' : �( : 4�94

= �6 � 1; < �2 < � 1; < �2 < � > �6 > �' : �( : 4�9 � 1' � 1(4

Application numérique : 150 < 10002 < 2200 > �� > 300 : 200 : 4 < 50 � 150 � 1504

35 �� > �� > 200 �� 1.2) Dimension de l’ancrage : Volume de l’ancrage en fonction de la masse volumique du béton. Pour un parallélépipède, le volume est obtenu par la formule suivante : ? � @ < � < � �� A � �? = ? � �A

34

B @ < � < � � �A

Pour une base carré L=l, alors : = @² < � � �A

= � � �A < @²

Pour une forme cubique L=l=h, alors : = @* � �A

= @ � D�AE

Avec : V : Volume du parallélépipède L : Longueur de la base l : Largeur de la base m : masse de l’ancrage A : masse volumique du béton Application numérique : A �2300 kg /�*, m=200 kg

= @ � D 2002300E � 0,443�

D’où G � HHI JJ Pour que l’ancrage ait plus de stabilité, les boulons de fixation devraient être placé

vers l’extrémité, à une distance X=160mm du coté extérieur de l’ancrage pour obtenir une surface de sustentation plus grande, comme le montre la figure 28 ci-dessous.

Figure 28 : Vue de dessus d’un ancrage plus stable

2) Dimensionnement des structures porteuses

Le but de ce calcul est de déterminer le comportement et les déformations des poutres constitutives de la structure porteuse lorsque la charge qu’elles supportent entre en jeu. Dans ce calcul, nous supposerons tout d’abord que la charge qu’elle supporte est de l’ordre de 400 kilogrammes, charge évaluée à partir du poids de l’hydrolienne et des mécanismes. Même si on ne connait pas exactement la somme des poids des mécanismes, la charge que la structure supporte, dans l’eau, ne dépassera pas 400Kg avec la poussée d’Archimède. Figure 29 : Dimension de la structure porteuse

35

Sur la figure 29 ci-dessus, le poids P=400kg et les longueurs des poutres

doivent être respectées pour que l’hydrolienne et leurs mécanismes puissent s’y loger.

Figure 30: Dessin et nomenclature des barres qui constituent la structure porteuse.

Source: Réaliser sous freelem

Pour le calcul de la structure nous utiliserons le logiciel « freelem » conçu pour calculer différentes formes de structures métalliques. Ce logiciel dispose des catalogues des matériaux de construction, les profilés et les appuis ; ensuite on peut vérifier les boulons et les soudures ; et enfin, les déformations, les efforts, les réactions et les contraintes.

36

La méthode est basée sur l’isolement une par une des barres (voir Figure 30 ci-dessus).

Le matériau qui constitue la structure est conforme aux normes des aciers de construction: EN00125 S235JR, S275JR, S275JO, ASTM A36, A572 et JIS.

Tableau 14 : Liste des profilés utilisés dans le logiciel « FREELEM ».

N° barre Profilés utilisés

1 IPE 080

2 IPE 080

3 L 080 x 080 x 8

4 L 080 x 080 x 8

5 L 080 x 080 x 8

6 L 080 x 080 x 8

7 L 045 x 045 x 4.5

8 L 045 x 045 x 4.5

9 L 045 x 045 x 4.5

10 L 045 x 045 x 4.5

11 IPE 080

12 IPE 080 Source : Liste des profilés sous freelem. Sur ce tableau 14, la colonne du numéro de la barre représente son emplacement sur la figure 30 ci-dessus et la colonne des profilés la désignation normalisée selon Euronorme 19-57. (l’annexe sur les profilés). Tableau 15: Résultats du déplacement du nœud 13 de la structure sous l’effet de la charge.

Déplacement Rotation

Nœud

suivant

X(mm)

suivant

Y(mm)

suivant Z

(mm)

suivant X

(rad)

suivant Y

(rad)

suivant

Z (rad)

13 0 0 -3.04 0 0 0 Source : Résultat obtenu après traitement sous freelem. Le tableau ci-dessus représente le déplacement du nœud 13 en millimètre et les rotations en radian, les nœuds sont présentés et numérotés on noir sur la figure 30 ci-dessus. On constate que si la charge P que la structure supporte est de l’ordre de 400 Kilogrammes, le nœud 13 sur la figure 30 subit un léger déplacement qui est de l’ordre de 3 millimètres. Le signe « moins » représente le sens du déplacement qui se fait de haut vers le bas.

2.1) Les efforts et contraintes dans chaque barre La structure est composée de douze barres, chaque barre se déforme

différemment. Par symétrie, les barres 2, 11 et 12 sur la figure 30 se comportent de la même

façon que la barre 1, de même pour les barres 4, 5, et 6 à celui de la barre 3. C’est pourquoi, les barres 1 et 3 sont utilisées ci-après pour le calcul. Barre 1, 2, 11 et 12

37

Figure 31 : Représentation de la barre 1 et les repères d’orientation.

Le dessin 31 ci-dessus représente la barre 1, le même dessin pour les barres 2, 11 et 12. Sur ce dessin les deux trièdres (u, v, w) et (x, y, z) indiquent les directions. De plus, trois repères indiquent le sens de rotation positif des moments. Tableau 16: Résultats des efforts dans les barres.

N° des

barres N° des nœuds

Fu en N

Fv en N

Fw en N

Mu en Nm

Mv en Nm

Mw en Nm

Liaison

1 1 190.25 0 1000 0 -

424.94 0 Boulons 13 190.25 0 1000 0 985.06 0 Soudure

2 3 190.25 0 1000 0 -

424.94 0 Boulons 13 190.25 0 1000 0 985.06 0 Soudure

11 4 190.25 0 1000 0 -

424.94 0 Boulons 13 190.25 0 1000 0 985.06 0 Soudure

12 2 190.25 0 1000 0 -

424.94 0 Boulons

13 190.25 0 1000 0 985.06 0 Soudure Source : Résultats tiré sous freelem.

Ce tableau nous indique que la poutre est sollicitée à la traction et à la flexion simple. De plus, le type de liaison de chaque nœud est indiqué soit par boulon ou par soudure. Les contraintes sont dans le tableau suivant :

Tableau 17: Contraintes résidus dans les barres.

n° des

barres

n° des nœud

s

axial (MPa)

Flexion Y

(MPa)

Flexion X

(MPa)

Cisaillement Y (MPa)

Cisaillement X (MPa)

Torsion

(MPa)

K (Mpa

)

L (MPa

)

Liaison par boulon

1 1 0.25 -21.22 0 0 3.95 0 21.4

6 3.95 12 2 0.25 -21.22 0 0 3.95 0 21.4 3.95

38

6

2 3 0.25 -21.22 0 0 3.95 0 21.4

6 3.95

11 4 0.25 -21.22 0 0 3.95 0 21.4

6 3.95 Liaison par soudure

1 13 0.25 49.18 0 0 3.95 0 49.4

3 3.95

11 13 0.25 49.18 0 0 3.95 0 49.4

3 3.95

2 13 0.25 49.18 0 0 3.95 0 49.4

3 3.95

12 13 0.25 49.18 0 0 3.95 0 49.4

3 3.95 Source : Résultats tiré sous freelem. On déduit que la zone la plus sollicitée est sur le nœud 13 de la figure 30, cette zone subit à la fois la contrainte de flexion et de traction. Les joints de soudure à ce nœud doivent être vérifiés à la flexion, traction et cisaillement.

2.2) Les réactions aux appuis Le tableau 17 ci-dessous donne exactement les valeurs des réactions au

niveau des nœuds 1, 2, 3 et 4. Les valeurs des réactions des moments y sont aussi mentionnées. Figure 32: Figure illustrant le phénomène de réaction.

Tableau 18 : les valeurs des réactions aux appuis au niveau des nœuds 1, 2, 3 et 4.

Nœuds Fx en

N Fy en

N Fz en

N Mx en

Nm MY en

Nm Mz en

Nm 1 0 0 1000 0 0 0 2 0 0 1000 0 0 0 3 0 0 1000 0 0 0 4 0 0 1000 0 0 0

Source: Résultats tiré sous freelem

Sur ce tableau les comportements et les valeurs des réactions sont les mêmes du faites de sa symétrie.

39

Figure 33 : Représentation des réactions des appuis au niveau des nœuds 1, 2, 3 et 4

A) Barre 3, 4, 5 et 6

La figure 34 suivante représente la poutre verticale 3. Les autres poutres verticales 4, 5 et 6 ne sont pas représentées car elles ont les mêmes formes et dimensions que la poutre 3. Sur ce figure 34, on trouve, deux trièdres (u, v, w) et (x, y, z) et un repère d’indication le sens de rotation positif des moments.

Figure 34 : Représentation de la poutre verticale 3 soumise à la charge

F=1000N

Les efforts dans les barres (3, 4, 5 et 6) suivant les différents axes des trièdres, les contraintes sont dans le tableau ci-après et les réactions aux appuis des poutres. Tableau 19: Tableau des résultats des efforts dans chaque poutre verticale. n° des barres

n° des nœuds

Fu en N Fv en N Fw en N

Mu en N Mv en N Mw en N

3 1 0 190.25 0 0 0 424.94 3 5 0 190.25 0 0 0 -212.4 4 4 0 0 -190.25 0 424.94 0 4 8 0 0 -190.25 0 -212.4 0 5 2 0 -190.25 0 0 0 -424.94 5 6 0 -190.25 0 0 0 212.4

40

6 3 0 0 190.25 0 -424.94 0 6 7 0 0 190.25 0 212.4 0

Source: Résultats tiré sous freelem. Remarques La direction des axes de repère n’est pas la même pour chaque barre. Le dessin de la figure 35 ci-dessous représente la direction et sens des positifs des repères. Figure 35: Vu de dessus de l’ensemble des poutres verticales avec ses repères

Source: Tirer sous freelem.

Tableau 20: Les résultats des contraintes résiduelles dans chaque barre. n°

des barre

s

n° des noeud

s

axial (MPa

)

Flexion Y

(MPa)

Flexion X

(MPa)

Cisaillement Y (MPa)

Cisaillement X (MPa)

Torsion

(MPa)

K (Mpa)

L (MPa)

Encastrement (partie inférieure) 4 8 0 -16.89 0 0 -0.3 0 16.89 0.3 3 5 0 0 -16.89 0.3 0 0 16.89 0.3 6 7 0 16.89 0 0 0.3 0 16.89 0.3 5 6 0 0 16.89 -0.3 0 0 16.89 0.3

Liaison par boulon (partie supérieure) 5 2 0 0 -33.78 -0.3 0 0 33.78 0.3 4 4 0 33.78 0 0 -0.3 0 33.78 0.3 6 3 0 -33.78 0 0 0.3 0 33.78 0.3 3 1 0 0 33.78 0.3 0 0 33.78 0.3

Source: Résultats tiré sous freelem. Les résultats ont été présentés selon les liaisons des extrémités : la liaison par boulon se situe en haut de la poutre et l’autre en bas par encastrement. On déduit que les poutres sont sollicitées en flexion simple ou flambage et en cisaillement aux extrémités. Par contre, les barres ne sont pas sollicitées en torsion.

41

Les réactions aux appuis sur l’ensemble des poutres verticales sont dans le tableau ci-après. Tableau 21: Les réactions des appuis au niveau des nœuds pour l’ensemble des poutres verticales

n° des nœuds

Fx en N Fy en N Fz en N Mx en Nm

My en Nm

Mz en Nm

1 0 0 1000 0 0 0 2 0 0 1000 0 0 0 3 0 0 1000 0 0 0 4 0 0 1000 0 0 0 5 0 -190.25 0 212.4 0 0 6 0 190.25 0 -212.4 0 0 7 -190.25 0 0 0 -212.4 0 8 190.25 0 0 0 212.4 0

Source: Résultats tiré sous freelem. On remarque que les réactions, provoquées par les poutres horizontales se situant au dessus des poutres verticales induisent deux types de réaction. Les charges suivant la direction Z du haut qui passe à travers des poutres verticales se transforment au bout en réaction linéaire suivant l’axe X et Y; ce dernier provoque un moment suivant respectivement l’axe X et Y. Les ancrages en béton doivent supporter au minimum une charge verticale de 1000N chacun et devront également supporter les réactions suivant les axes X et Y. Les poutres horizontales de premier niveau sont sollicitées à une contrainte de traction si l’un des ancrages se déplace durant la mise en charge.

2.3) Dimensionnement des liaisons démontables La plupart des boulons pour la construction métallique est sollicitée au

cisaillement. a) Technologie des boulons de liaison Sur la figure 36 ci-dessous représente les dimensionnements d’un boulon

normalisé. Ces formules de dimensionnement sont valable quelque soit la taille de la tige filetée. Figure 36 : Représentation des formules de dimensionnement d’un boulon.

Source : Memento /dessin technique norme CAO /C.Hazard /Collection A.Capaliez

42

b) Dimensions normalisées des boulons Longueur filetée X : la valeur de cette longueur dépend du diamètre et la

longueur le la tige, donc la formule suivante permet d’obtenir ce résultat : X = d + (Ln+1 – Ln-1), où Ln+1 et Ln-1 encadrant, dans la série normalisée, la longueur Ln du boulon considéré.

Symboles normalisés : Pour éviter de surcharger le dessin de définition d’un

ensemble final lié par des boulons. Ces derniers doivent désigner par des symboles et des chiffres permettant une définition complète ; par exemple, boulon H 10 X 45, ce qui signifie : boulon à tête hexagonale dont son diamètre d est de 10 millimètres, fileté ISO et L=45.

c) Calcul des dimensions des boulons

Pour des raisons pratique, les boulons qui relient les poutres horizontales de deuxième niveau avec les poutres verticales sont les mêmes.

Les hypothèses adoptées étaient d’assembler les poutres verticales et les poutres horizontales avec seulement deux boulons dans chacun des nœuds suivant : 1, 2, 3 et 4 (voir figure 30).

Les résultats prélevés sur chaque nœud 1, 2, 3 et 4 sont égaux par symétrie. Sur chacun des nœuds la contrainte axiale entraine la contrainte de cisaillement des boulons. La valeur de cette contrainte est de 250N/mm².

Figure 37 : Boulon sollicité en cisaillement.

Nous avons deux boulons de même diamètre d et deux poutres d’épaisseur différentes e1=5,2mm et e2=8mm. Les efforts tranchants F1 = F2 = 190,25N qui provoquent la contrainte de cisaillement de 250N/mm². Alors pour déterminer le diamètre minimal de la tige filetée :

L � MN O P9Q

Soit T l’effort tranchant sur l’un des deux vis de fixation des nœuds 1, 2, 3 et 4. La contrainte normale K � 250N/mm. K � MR B M � K. R

et nous avons la contrainte de cisaillement L est : L � MN O P9Q

43

B L � K. RN O P9Q

Avec A la section des boulons et P9Q: résistance à la rupture par traction. Figure 38 : Représentation de la contrainte axial dans les poutres horizontale de niveau deux à section S.

Nous prenons : P9Q � P2

où R : représente la résistance à la rupture par traction. L � K. RTUV(O P9Q B P9Q W 2K. RX�(

B �( W 2K. RXP9Q

� W D2K. RXP9Q

Caractéristiques mécaniques: E=70daN/mm² ; R=75daN/mm² ; A=13% et K=180J/cm². E : la limite d’élasticité de l’acier [N/mm²]. R : résistance à la traction [daN/mm²]. A : allongement [%]. K : résilience ou résistance au choc [J/cm²]. Application numérique : K=250N/mm² ; P9Q � Y( � Z,( � 37,5��[/��²=375N/mm² ; S=764mm.

B � W D2.250.7643,14.375 W 18,01��

Donc, quelque soit le type d’acier utilisé, sa résistance de traction ne dépasse pas 75daN/mm², le diamètre adopté pour les boulons est d W 18mm.

La longueur totale de la vis : @ � �1 : �2 : 0,8� : 0,5.

Soit, L=5,2+8+0,8.18+0,5= 20,9mm. Nous prenons \ � I]^^ Et la longueur de la tige filetée X est :

44

X = d + (Ln+1 – Ln-1)

avec Ln+1=22mm, Ln-1=22mm et d=18mm. X = 18 + (35 - 28) = 24mm _ � `a^^

Et de plus, appliquant les consignes de la figure 36, nous obtiendrons les cotes

suivants

Figure 39 : Dimension des boulons utilisés

2.4) Norme et règlementation des soudures : Voici les normes appliquées pour la construction :

NF-P22 470 (août 89) : Construction métallique/ Assemblages soudés/ Dispositions constructives et justification des soudures. NF-P22 471(mars 84) : Construction métallique/ Assemblages soudés/ Fabrication NF- EN 288-3(juin 92) DMOS/ QMOS. NF- P 22 472 (octobre 94) Construction métallique/ Assemblages soudés/ QMOS. NF- P 22 473(août 86) Construction métallique/ Assemblages soudés-CND. NF-EN 287(juin92) Qualification soudeurs & opérateurs.

La liaison entre les poutres horizontales de niveau deux se fait par soudure.

Schéma de représentation des liaisons existant

45

La figure ci-dessous représente l’ensemble de la structure finale avec les différents éléments qui la constituent (les ancrages, les poutres verticales, les poutres horizontales, et les différents éléments de liaison. Figure 40: Ensemble de la structure porteuse en 3 dimensions.

3) Dimensionnement du pivot avec ses éléments de liaison Dans ce chapitre, nous allons dimensionner les éléments qui constituent le

système de pivotement ainsi que les éléments de transmission. Nous abordons d’abord la griffe qui relie l’hydrolienne avec le système de pivot, ensuite l’arbre télescopique et enfin, le pivot.

La figure 41 ci-dessous montre les éléments cités.

Figure 41 : Désignation des éléments constitutifs du système de pivotement

46

.

3.1) Elément de liaison entre l’hydrolienne et l’arbre de transmission L’élément assurant la liaison entre l’hydrolienne et l’arbre de transmission est la

griffe. Elle relie l’hydrolienne avec le système de pivot. La griffe est conçue pour faciliter l’entrainement de l’hydrolienne et de ne pas gêner l’écoulement de l’eau

Figure 42 : Forme de la griffe et son emplacement dans le système.

3.1.a) Dimensionnement de la griffe Nous utilisons l’acier au carbone C10d. C’est un acier ordinaire à 0,1% de carbone dont le teneur de soufre et de phosphore ne dépasse pas 0,09%. Les pièces quia constituent la griffe sont soudées.

3.1.b) Etude statique de la griffe Figure 42 : Bilan des forces.

Suivant la figure 43, la charge supportée par la griffe est divisée par 3 à chaque extrémité.

47

Figure 43 : Représentation des déformations de la griffe

Figure 44 : Modèle de griffe réduit en trois exemplaires.

Dans ce modèle chaque griffe supporte 50kg. L’avantage avec cette conception est l’épaisseur faible des griffes. Figure 45 : Modification apportée sur les griffes pour réduire la déformation.

On rajoute des barres supplémentaires pour réduire la déformation en flexion des griffes.

Comme l’ensemble des griffes est animé d’un mouvement de rotation, des barres transversales doivent alors relier les griffes entres elles, (figure 46). Figure 46 : Forme de la griffe finale.

48

3.1.c) Dimensionnements La figure 50 représente les efforts et moments agissant sur la structure d’une

griffe.

Figure 47 : Les efforts et moment dans une griffe.

Par symétrie, les points A=B et C=D ; de même pour les moments a ces points, MA=MB et MC=MD.

• Partie gauche inclinée de la griffe La pièce isolée est sollicitée en flexion et traction. Soit une flexion plane

composée.

Nous supposons notre pièce comme une poutre encastrée à une extrémité libre, elle est soumise à une charge oblique P qui agit à son extrémité libre. Cette force admet deux composantes : P1 axiale dirigée suivant l’axe de la poutre et P2 normale à l’axe de la poutre.

La composante P2 sollicite la poutre à la flexion et naissance à un moment fléchissant .b dont la valeur maximale est située à encastrement.

49

.bcd7 � �(. �' La contrainte normale maximale correspondante est donnée par : K'cd7 � .bcd7 . �efg � �(. �'. �efg � �(. �'hijU

Avec efg: moment quadratique de la surface par rapport à l’axe kl. d : distance maximale des fibres extérieures les plus éloignées de l’axe kl. hijU : le module de flexion qui dépend des dimensions et de la forme de la section.

La condition de sécurité : �'cd7 O P98 �� P9m Donc,

K'cd7 � �(. �'hijUO P98 �� P9m

où P98 �� P9m est la résistance à la rupture ou contrainte admissible par traction ou par compression. La composante P1 sollicite la poutre en traction : elle donne naissance à une contrainte uniforme de traction dans la section:

K( � �'R O P98 Où S est la section de la pièce sollicité.

Pour déterminer la sollicitation qui règne réellement dans la section de la poutre, il suffit simplement d’additionner les deux contraintes K'cd7 et K( normales à la section S de la pièce. En appliquant le principe de la superposition des effets des forces, on obtient les résultantes qui sont représentées sur la figure 48 ci-dessous. Donc Kcd7 � K'cd7 : K(

Kcd7 � �(. �'hijU : �'R

Figure 48 : Présentation de la contrainte en flexion plane composée

Source : ENCYCLOP2DIE DES SCIENCES INDUSTRIELLES QUILLET [2]

Application numérique : On a P=50kg, l1 = 350mm, k �45° et P98 �� P9m � 40��[/��² (pour les aciers C 10 d).

50

�� Kcd7 � �(. �'hijU

: �'R

n�� (. �'hijUO P98 �� 'R O P98

De plus �34 � �'3334 : �(33334 = �' � � sin r �� ( � � cos r

Et hijU � u;V- pour a une section rectangulaire, �ù � � ;(

alors �(. �'hijU : �'R O P98

B �~�� r. �'u;V-

: �� r�� O P98 6�~�� r. �'��( : �� r�� O P98 6�~�� r. �'��( : �� r��( O P98

��( W 6�~�� r. �'P98 : �� rP98

� W 6�~�� r. �' : �� r�(P98

Avec une épaisseur de 5mm nous obtenons : AN :

� W 6 < 500 < ~��45° < 350 : 500 < 5 < ��45°6( < 400 � 74.4�� W 74.4�� Nous adoptons alors comme base b=80 mm. Donc, finalement les caractéristiques des griffes seraient une plaque en acier C 10 d de dimensions 350x80x5.

• La partie horizontale de la griffe La figure suivante représente les efforts agissant sur la partie horizontale. La

pièce est divisible en deux parties égales par rapport à l’axe de symétrie verticale du

51

système. Soit deux travées limitées par les nœuds : travée 1 délimitée par les nœuds 1 et 2 ; la travée 2 délimitée par les nœuds 2 et 3.

Figure 49 : Les efforts dans la partie horizontale de la griffe

Etablissant l’équilibre des forces sur la travée de gauche isolée

On remarque que, la partie entre le nœud 1 et le point intermédiaire C, appelée partie A, est sollicitée à une flexion simple. Considérons le point C comme étant un encastrement. Par contre, la partie entre le point C et le nœud 2 appelée partie B est sollicitée à une flexion composée de compression. Théoriquement, la surface de ces deux parties ne sont pas les mêmes mais pour simplifier, nous adoptons la plus grande section.

Cette pièce est fabriquée en C 10 d. Partie A Cette partie est sollicitée à une : K � mcd7�ji�

O P98 �� mcd7 � �. �b

= K � �. �b�ji�O P98

Comme la section est rectangulaire, on a : Igf? � ��(6 B K � 6�. �b��( O P98

52

B ��( W 6�. �bP98 B �( W 6�. �b�P98 B � W D6�. �b�P98

AN : P=50kg, g=10N/kg, �b � 360��, b=80mm et P98 �40daN/mm².

� W D6�. �b�P98 � D6 < 500 < 36080 < 400 W 5,19��

� � 6 ��

L’épaisseur de la partie A de la griffe horizontale est de 6mm. Partie B La partie B est sollicitée en flexion plane composée; une flexion plane simple et

une compression.

Kcd7 � 1(. ��hij�� 1'R O P98

Kcd7 � 1(. ��u;V-

� 1'�� O P98 B 61(. ��( � 1'��² O P98

��² W 61(. �� 1'�P98

B � W 61(. �� 1'��²P98

Expression de 1' �� 1( Pour que le système soit en équilibre, il faut que : �. �b � 1(. ��

B 1( � �. �b��

Et on sait que 1 � 1(�� r'

1' � 1. ~��k' � 1( ~�� r'~�� r' � 1(. ~�� r'

B 1' � 1(. ~�� r' AN r'� 50° , �b � 360��, �� 200�� et h=6mm.

1( � �. �b�� 500 < 360200 � 900[

53

�� 1' � 1(. ~�� r'� 900 < ~��50° � 755[

� W 61(. �� 1'��²P98 � 6 < 900 < 200 � 755 < 66² < 400 � 74,68��

� W 74,68�� La largeur de la tôle pour la fabrication de la partie horizontale de la griffe est

supérieure à 74,68mm. Pour cela, avec une épaisseur de 6mm. La dimension finale pour cette pièce est alors : 560x80x6mm.

• Les tubes de la griffe

Figure 50 : Forces dans les tubes de la griffe.

Le tube CO est sollicité à la traction, de même pour le tube OD. Par contre, le tube OE est sollicité en compression

a) Calcul des efforts Les composantes F1 et F2 de la force F ont été déterminées dans le

paragraphe précédent. Avec l’angle d’inclinaison r' des tubes, nous obtenons la valeur de la force M34 avec �M34� est égale à la composante F2.

AN : Pour r'� 50°, F1=755N et F2=900N (T=F2 : Charge totale à supporter divisée en trois) Figure 51 : Forces sollicitant les raidisseurs.

1 � 1(�� 50° � 900��50° � 1174,86[

Donc, F=1174,85N et T=F2=900N

b) Dimensionnement des raidisseurs

54

Ces tubes sont sollicités à la traction ou en compression selon leur emplacement. Donc, nous allons bien distinguer les calculs de ces tubes en fonction de la contrainte qui leur sollicite. Nous verrons donc en premier lieu le dimensionnement des tubes OC et OD et la méthode employée sera l’identification de valeur par rapport à une consigne de sécurité ; et en second lieu, le dimensionnement des tubes OE (la méthode sera la même) ; et en dernier lieu le dimensionnement des barres reliant les trois griffes.

b.1) Diamètre et épaisseur des tubes Les tubes OC et OD sont soumis une charge normale K8 � 1N O P98 K8: contrainte de traction.

F : effort qui sollicite le tube en traction. A : section du tube.

b.2) Expression de l’aire A du tube Voici les quelques formules usuelles des tubes creux : P � �2 , � � �2

N � X��²� �²�4

D’où

K8 � 41X��( � �(� O P98 �( � �( W 41XP98

� O D�( � 41XP98 Les tubes sont fabriqués à partir d’un acier ES 200. La contrainte admissible

par traction P98 est de 330 à 480N/mm².

AN :

F=1174,85N, P98 �400N/mm² et D=25mm.

55

� O D25( � 4 < 1174,853,14 < 400

� O 24,92��

D’où un tube en acier ES 200 (norme XPA 49646 (08 /97)), de dimension 25x1,5 ou d=23,5mm. La masse linéaire de ce tube est 0,87kg/ml.

b.3) La longueur L des raidisseurs @ � ��~�� r'

AN:

On a: �� 200�� et r'� 50° @ � 200~��50° � 311,14��

@ � 311��

Soit pour une griffe, un tube en ES 200 de dimension 25x1,5 avec une longueur L=311mm. Dimensions valables la griffe du milieu.

Tube OE Le tube OE est sollicité en compression

Km � MR O P9m Km: contrainte de compression. T : effort qui comprime le tube. S : section du tube. P9m: Contrainte admissible par compression qui est égale à P98 pour un acier courant ES 200. On a un tube, alors :

R � X��² � �²�4

B Km � 4MX��²� �²� O P9m

B �²� �² W 4MXP9m

B � O D�² � 4MXP9m AN : On a T=900N, P9m=40daN /mm² et D=25mm.

� O D25² � 4 < 9003,14 < 400 � O 24,94��

Nous utiliserons les mêmes tubes sollicités en traction ( norme XPA 49646 (08 /97)).

56

• Liaison des griffes Trois griffes pour supporter le poids de l’hydrolienne non immergée. Elles

tournent ensemble solidaire. La figure 52 montre l’ensemble des trois griffes en vue de dessus. Les forces et moment agissant sur la structure sont également présentés. Figure 52 : Ensemble avec les forces.

Les forces et moments qui entraînent le système en rotation. On constate que les barres entre les nœuds (1, 6), (3,8), (13, 15), (14, 16), (17,19) et (18, 20) sont toutes sollicitées à une contrainte de compression ou de traction selon le sens de rotation. Par contre, la barre entre les nœuds (2, 7) sont sollicitées à une flexion plane simple.

a) Dimensionnement des barres Nous dissocions les barres de liaison des griffes sollicitées en traction

combinée à la compression et la barre du milieu sollicitée à la flexion simple. b) Barres sollicitées en traction combiné à la compression Cas des barres entre les nœuds (1, 6), (3,8), (13, 15), (14, 16), (17,19) et (18,

20), la figure 53 ci-dessus représente la sollicitation des barres du système en rotation.

Figure 53 : représentation des contraintes dans les barres sollicitées en traction et compression simultanément.

Sur cette figure, on constate la différence de couleur juste au milieu de la barre. La partie gauche colorée en vert sur la figure est sollicitée en traction si, le sens de rotation qui l’entraine est à droite, par rapport au centre O. Par contre, la partie droite en bleu est sollicitée en compression si, le sens de rotation est à droite. Et inversement.

c) Dimensionnement Le moment est connu, selon le type de moteur d’entrainement et le train

d’engrenage utilisés, de même que la distance d. Donc il reste à déterminer la force F agissant dans la barre.

Alors 1 � �

57

Le moteur d’entrainement sur la figure 54 ci-après représente un modèle de moteur pas à pas, ses dimensions et sa fiche technique.

Figure 54 : Désignation d’un moteur pas à pas

Source : Moteurs pas à pas, notes de cours Agrégation Génie Électrique [4]

On remarque sur la ligne 6 que le moment de rotation à courant nominal est

compris entre 145> >195Nm. Par contre, dans la ligne 7, le moment de rotation au double du courant nominal est compris entre 255 à 345Nm. Pour assurer l’entrainement de l’hydrolienne dans l’eau, nous choisissons le moment d’entrainement au double du courant nominal, soit de l’ordre de 300Nm. Il ne reste plus qu’à définir la distance entre les barres et le centre de rotation. (Tableau ci-après)

58

Tableau 22 : Distance d’emplacement des barres transversales par rapport au centre de rotation.

N° de la barre Entre les nœuds Distance d par rapport à O en mm

1 1 et 6 �' � �� 200

2 3 et 8 �( � �� 200

3 14 et 16 �* � ��b : �� '2 sin 40° � 447��

4 17 et 19 �+ � 447��

d) Calcul des forces pour chaque barre Les barres 1 et 2 ont les mêmes comportements par symétrie, de même pour

les barres 3 et 4. d.1) Barre 1 et 2

• La force 1'( La valeur de 1'( est obtenue par la relation suivante:

1'( � �' AN : M=300Nm, �' �200mm=0,2m

1'( � 3000,2 � 1500[

• Les dimensions de la barre La barre est sollicitée en traction et compression K � 1'(R O P98

Où S : une section de la barre est rectangulaire B K � 1'(� � � O P98 Comme nous connaissons déjà h, alors � W 1'(� � P98

59

Et comme la barre est fait de la même matière que les autres barres de la griffe, alors

P98 � 40��[/��² AN : 1'( �1500N, h=6mm et P98 � 400[/��²

� W 15006 � 400 � 0,625��

Donc, pour une grande marge de sécurité, nous adoptons comme largeur l=10mm d’où l x h = 10x6.

d.2) Barre 3 et 4 Même démarche: 1*+ � 671[

La largeur est � W -Z'-�+�� 0,27��. Pour des raisons pratiques utilisons la même dimension des barres 1 et 2.

3.2) Arbre de transmission L’arbre de transmission est divisé en deux éléments distincts : l’arbre principal

et l’arbre télescopique. Le premier élément entraîne l’hydrolienne et guide l’ensemble grâce aux roulements du pivot. Le second entraîne ainsi l’hydrolienne et absorbe les forces axiales sur l’arbre principal à la variation du niveau d’eau. La figure 54 représente l’arbres et son emplacement dans le système.

Figure 54 a: Représentation du dessin d’ensemble de l’arbre de transmission

60

3.2.a) Dimensionnement de l’arbre principal L’arbre principal entraine l’hydrolienne et guide l’ensemble en rotation par

l’intermédiaire des roulements du pivot. Donc il est sollicité à une torsion et à la pression de matage, en torsion par le couple d’entrainement du moteur électrique et à la pression de matage des bagues du roulement.

• Dimensionnement à la torsion

Un couple de 8=300Nm sert à entrainer l’hydrolienne dans l’eau. La vitesse de rotation est de l’ordre de 1 tour par minute et la longueur de cet arbre est

supérieure à 220mm. Nous utilisons l’acier mi-dur dont la contrainte admissible au cisaillement est : P9Q � 8daN/mm² et le module élastique transversale est : G=800daN/mm².

Le diamètre minimal de l’arbre principal a comme condition de sécurité : e�� W 8P9Q

e�: Moment quadratique polaire V : Module de torsion L’arbre a une section pleine, alors :

61

e� � X�+32 �� 2

D’où, e�� X�*16

Finalement, on obtient : X�*16 W 8P9Q B �* W 16 8XP9Q

� W D16 8XP9QE

AN :

� W D16 < 3000003,14 < 80E W 26��

� W `�JJ

• Dimensionnement à la traction Vérifions cette dimension à la contrainte de traction en cas de manque d’eau. Pour un acier mi-dur, la contrainte admissible en traction P98 est 18daN/mm².

Nous avons : 1R O P98 R � X�(

4

�² W 41XP98 B � W D 41XP98 AN :

� W D 4 < 30003,14 < 180 W 4,6��

L’arbre principal ne cède pas sous le poids propre de l’hydrolienne avec le diamètre d=26mm et peu transmet le couple d’entrainement sans déformation ni rupture.

• Dimensionnement à la pression de matage

Dimension des bagues intérieures donnant naissance à la contrainte de matage. La pression au matage est provoquée par l’arbre lui-même, représente par la figure 55. Figure 55 : Pression de matage La distance l entre le point de contact et le point d’application de la force F est grande,

ce qui induit une pression au matage élevée.

62

Le contact entre l’arbre principal et la bague extérieure est considéré comme contact cylindre sur plan, la déformation élastique donne comme zone de contact, un rectangle de largeur b donnée par la formule :

� � 2,26D�P@��

P : la valeur de la charge R : rayon de l’arbre principal L : longueur du cylindre en contact E’ : module fictif obtenu par la formule de HERTZ Formule d’HERTZ : 1�� 12 � 1�' : 1�(�

Avec �': module d’élasticité longitudinale de la bague [daN/mm²] �(: module d’élasticité longitudinale de l’arbre principal [daN/mm²] La contrainte de compression maximale sur la génératrice extérieure de l’arbre

principale à pour expression :

Kcd7 � 0,56D��@P

B P W ��0,56 < KY98�( < @

AN: �' � 70��[/��² ; �( � 30��[/��² ; P=F=200N ; L=20mm En appliquant la formule de LENTZ, on a: E’=41daN/mm²

P W 200 < 410�0,56 < 180�( < 20 W 0,40��

63

P W 0,4��

L’arbre principal de diamètre d=26mm résiste à la pression de matage provoqué par les bagues des roulements, mais il subit une déformation élastique dont la zone de contact est un rectangle de largeur b.

� � 2,26D200 < 2620 < 410

� � �, ��JJ

Figure 55 b : Représentation d’une bague d’un roulement et l’arbre principal

3.2.b) Dimensionnement de l’arbre télescopique L’arbre est composé de deux éléments concentriques suivant l’axe de l’arbre principal.

Le premier élément est fixe lié directement à l’arbre principal et le second élément est un arbre creux dans lequel le premier élément coulisse. Ce dernier est lié à la griffe d’entrainement de l’hydrolienne. La rotation entre les deux éléments est éliminée par une rainure sur l’arbre plein et des vis à téton sur l’arbre creux.

Figure 56: Dessin de l’arbre télescopique

64

• Dimensionnement du premier élément de l’arbre télescopique Cet élément est sollicité en torsion et en flexion.

Durant la variation du niveau d’eau, le contenu glisse dans le contenant le long de sa génératrice. Nous utilisons l’acier ferritique inoxydable Z 10 C 16 (C 0,1% et Cr 16%).

a) Face à une flexion L’effort provoqué par le courant d’eau est unidirectionnel. Alors nous supposons que

l’arbre est seulement sollicité en flexion simple.

Kcd7 W �cd7 < ?efg

�cd7: Moment de flexion maximal hij� : Module de flexion.

Considérons cet arbre comme étant une barre métallique pleine encastrée suivant la

figure ci-dessous:

Cet élément est fabriqué en acier ferritique Z 10 C 16, avec E=55daN/mm², K=60daN/mm², A=25daN/mm² et K=30daN/mm². Calcul du diamètre d de l’arbre Pour une section circulaire :

65

efg? � X�*64 < 2� � X�*

32

�* W 32 < efgX < ?

� W D32 < efgX < ?E

et efg? W �cd7Kcd7

Avec �cd7 � 1 < @

D’où efg? W 1 < @Kcd7

AN : F=200N=20daN, l=220mm et Kcd7 � 60 daN/mm² efg? W 20 < 22060 � 73��*

D’où

� W D32 < 733,14E W 9,06��

� W �, ]�JJ Pour une raison de sécurité, nous adoptons d=20mm . Dimension de la rainure La profondeur de la rainure est de 5mm avec une largeur de 5mm également. Figure 57 : Dimensions de la rainure

• Dimensionnement du second élément de l’arbre télescopique Cet élément glisse sur le premier élément à l’aide d’un système de guidage par

translation. Donc, sa forme est cylindrique.

66

Dès maintenant alors, nous nommerons le premier élément: « contenu » et le second élément : « contenant ». Comme nous connaissons déjà le diamètre nominal du contenu, alors le diamètre de l’alésage du contenant est connu, il reste à déterminer l’épaisseur.

Le matériau employé est l’acier ferritique Z 10 C 16. Cette pièce est sollicitée en flexion simple et en torsion. Mais l’effet de la contrainte de

torsion est négligeable devant la contrainte de flexion car la vitesse et le couple d’entrainement de l’hydrolienne sont faible, c’est pourquoi le dimensionnement de cette pièce n’est basé que sur la contrainte de flexion seulement.

Figure 58 : Schéma fonctionnel de l’arbre télescopique.

Nous appliquons la même formule dans le cas de dimensionnement de la poutre

sollicitée en flexion :

Kcd7 W �cd7 < ?efg

�cd7 � 1 < � �� efg? � X��+ � �+�32 < �

B Kcd7 W 1 < � < 32 < �X��+ � �+�

= �+ � �+� W 1 < � < 32X < Kcd7

AN : F= 20 daN, l=200mm et Kcd7 �60daN/mm² �+ � �+

� W 20 < 200 < 323,14 < 60 � 679,4��*

Nous savons que d=20mm, alors : �+ � 20+

� W 679,4

67

�+ � 160000 W 679,4� �H � ��, H� W ��]]]] Si D=20,1mm, nous aurons : 20,1+ � 679,4 < 21,5 � 148956,68 > 160000 Si D=20,2mm, nous aurons : 20,2+ � 679,4 < 20,2 � 152572,76 > 160000 Si D=20,3mm, nous aurons : 20,3+ � 679,4 < 20,3 � 156026,34 > 160000 Si D=20,4mm, nous aurons : 20,4+ � 679,4 < 20,4 � 159329,38 > 160000 Si D=20,5mm, nous aurons : 20,5+ � 679,4 < 20,5 � 162682,36 W 160000

Donc le diamètre extérieur de la pièce contenant est D=20,5mm. Mais pour une raison

de sécurité, nous adoptons D=22mm .

• Dimensionnement du guidage de l’arbre télescopique La vis à téton est sollicitée en cisaillement. La démarche de dimensionnement de ces vis, qui sont sollicitées en cisaillement, est

identique au dimensionnement des clavettes d’entrainement. Figure 59 : Guidage de l’arbre télescopique

La position présentée sur la figure 59 ci-dessus représente la situation où l’arbre

télescopique s’allonge. Pour éviter l’arrachement du contenu dans le contenant, une nouvelle vis à téton arrête la course (voir figure 60) au cas où le niveau d’eau est trop bas.

Figure 60: Système d’arrêt de course.

68

• Dimensionnement de la vis à téton d’arrêt La force de cisaillement est le poids propre de l’hydrolienne. La contrainte tangentielle L d’un cisaillement a pour expression :

L � MR

Avec T : force extérieure provoquant le cisaillement [N] S : section de la pièce cisaillée [mm²]

Figure 61: Représentation de la vis à téton cisaillé

Ces vis sont en acier mi-dur dont la résistance pratique au cisaillement P9Q �18 ��[/��². La condition de sécurité est : L O P9Q

L � MR O P9Q

avec

69

R � X�²4

B L � 4MX�² O P9Q

� W D 4MX P9Q

AN : T=poids de l’hydrolienne=3000N, P9Q � 18 ��[/��².

� W D 4 < 3003,14 < 18 � 4,60��

Pour une raison de sécurité nous adoptons d=6mm. Figure 62 : Norme de la tige d’une vis à téton

Source : ENCYCLOPEDIE DES SCIENCES INDUSTRIELLES QUILLET [2]

Puisque c’est le téton qui est sollicité en cisaillement, alors le diamètre nominal D de la

vis est : � � 0,7�

� � �0,7

AN : d=6mm

� � 60,7 � 8,5��

En Conclusion, le diamètre nominale de la vis de gauche est D=8,5mm et celui du

téton est d=6mm respectivement pour la vis à téton de droite D=6mm et d=4mm. L’ensemble est protégé par un cache poussière extensible en caoutchouc et de plus

étanche à l’humidité. Figure 63: Protection de l’arbre télescopique contre les agents atmosphériques

70

3.3) Choix des roulements du pivot suivant les charges appliquées Choix du roulement suivant :

- direction des forces appliquées sur les bagues des roulements

- valeur des charges appliquées

- catalogues de roulement existant - montage des roulements

- vitesse et durée de travail - condition de lubrification (par graisse ou par huile) et protection contre l’oxydation.

La figure 64 ci-dessous représente le schéma fonctionnel d’un pivot.

Figure 64 : Schéma fonctionnel du pivot

71

L’ensemble du pivot est formé d’un axe appelé « arbre du pivot », d’une entretoise de prolongement, de deux roulements et de la partie fixe (poutre horizontale).

3.3.a) Forces appliquées sur les bagues de roulement

Les forces extérieures agissantes sur le pivot sont le poids propre de l’hydrolienne, la poussée d’Archimède, qui sont axial et la force hydrodynamique qui est une charge radiale. Donc, nous avons une composition de directions de charge au niveau du pivot justifiant le choix d’un roulement à contact oblique.

Comme le poids de l’hydrolienne est supérieur que celui des autres forces extérieures, nous utilisons un roulement à butée pour le roulement supérieur. Par contre le roulement inférieur est en contact oblique dans le but d’absorber les charges radiale et axiale qui se dirigées de bas en haut.

Le roulement inférieur est logé à l’intérieur d’un moyeu (la figure 65).

Figure 65: Principe de montage des roulements

72

3.3.b) Valeur des charges appliquées Le tableau suivant affiche les plages de valeurs des forces extérieures agissant sur le

pivot. Tableau 23 : Plage des forces agissantes sur le pivot

La force considérée Hors de l’eau [N] Dans l’eau [N]

Poids du système soutenu 3500-4500 1000-2000

Poussée d’Archimède 0 1500-3000

Force hydrodynamique 0 200-1000

3.3.c) Catalogues de roulement existant La figure ci-dessous représente les différentes sortes et formes de roulement existant

dans la construction mécanique, celui qui nous intéresse est le roulement à butée à bille, à simple effet et un roulement à rouleaux coniques. La butée à billes est montée en dessus du pivot et l’autre roulement sera monté dans la partie inférieure comme le montre la figure 65 ci-dessus.

Figure 65 a : Formes des roulements existant dans la construction mécanique

73

Source : Memento /dessin technique norme CAO [3]

3.3.d) Condition de lubrification et protection contre la rouille

Dans le cas du graissage d’appoint, la quantité de graisse, en centimètre cube, nécessaire à chaque appoint est déterminée approximativement par la formule [3] suivante :

0,005 < � < ! Avec D : diamètre extérieur du roulement en mm B : largeur du roulement en mm Si la graisse a un rôle de protection contre la rouille, les intervalles de lubrification

doivent être beaucoup plus courts. Dans notre cas, la précision de cet intervalle n’est pas déterminée selon la norme à cause de la vitesse de rotation qui est faible. Donc, si nous utiliserons le mode de graissage appoint, nous adopterons comme intervalle de lubrification un mois.

74

Dans le cas où la lubrification n’est pas appoint, l’intervalle de lubrification se fait une ou deux fois par an. Pour obtenir cette condition, nous devons concevoir une cage métallique dotée d’un joint d’étanchéité, comme le montre la figure ci-dessous.

Figure 66 : Représentation du couvercle de protection

3.3.e) Choix des roulements : Le roulement à contact oblique est soumis simultanément à une charge radiale et à

une charge axiale. Figure 67 : Décomposition d’une charge F en composantes axiale Fa et radiale Fr.

�cd7: charge sur les éléments roulant le plus chargé en daN 1�: charge radiale exercée sur le roulement en daN

75

1d: charge axiale exercée sur le roulement en daN Z : nombre d’élément roulant r: angle de contact k et k’ : variable de calcul en fonction du type de roulement

k=3,93 (pour �� 1,7� à 5,00 (pour Fr =0)

k’=2,36 (pour �� 1,7 ) à 1,00 (pour Fr = 0)

Pour la butée :

�cd7 � 1d� < �� r

Et pour le roulement à contact oblique :

�cd7 � � < 1�� < ~�� r �� 1d1� O 1,7

�cd7 � �� < 1d� < �� r �� 1d1� W 1,7

Pour le roulement à contact oblique AN : 1d � 2000[ �� 1� � 500[, �� 4 alors k� �1, z=15 et k � 45°

�cd7 � �� < 1d� < �� r

�cd7 � 1 < 200015 < ��30 � 266,66[

Pour le roulement à butée AN : Fa=4000N, Fr=500N, z=12 et k �90°

�cd7 � 1d� < �� r

�cd7 � 400012 < ��90 � 333,33[

Nous utilisons un roulement à contact oblique, un roulement conique à 15 rouleaux dont l’inclinaison k � 45° et l’un des rouleaux supportera au minimum Qmax=300N. Et pour le roulement à butée, nous utiliserons une butée à 15 billes et dont l’une des billes supportera Qmax=350N également.

Pour les dimensions exactes des roulements, consultons le catalogue fournit par le constructeur (S.K.F) sur le tableau ci-dessous.

Tableau 24 : Dimension normalisée roulements à bille, simple effet (voir annexe des

roulements)

76

Source : www.skf.com n�: Charge statique de base (charge admissible à l’arrêt ou à faible vitesse)

C : Charge dynamique de base (charge admissible à une vitesse appréciable) Nous choisissons la butée 51102 avec les dimensions suivantes : Diamètre D=28mm, d=15mm et l’épaisseur du roulement H=9mm.

Source : www.123roulement.com/roulement-51102-SKF.html

Tableau 25: Dimension normalisée des roulements à rouleaux coniques (Voir annexe

des roulements)

Source : www.skf.com

Nous prenons le roulement A 4059 / A 4138 , avec les dimensions suivantes : Diamètre D=34,988 mm, d=14,989mm et l’épaisseur du roulement H=10,998mm.

Source : www.123roulement.com/roulement-51102-SKF.html

3.3.f) Dimensionnement de l’axe du pivot :

77

L’axe assure le guidage en rotation de l’ensemble pivotant. Il transmet l’effort de couple du moteur jusqu’à l’arbre télescopique et il est lié à la roue de la vis sans fin d’où une sollicitation à la torsion et la traction.

Cet arbre est lié à une roue dentée, à des bagues de roulement et à l’arbre télescopique (figure 68).

Figure 68 : Représentation de l’axe du pivot

A l’extrémité haute est fixé la roue dentée de la vis sans fin, et à l’autre extrémité

l’arbre télescopique. L’alésage des bagues de roulement est de 15mm environ égal au diamètre de l’axe à

employer. Il reste à vérifier si ce diamètre résiste aux contraintes. Nous prenons un acier de construction mécanique 10 NC 12 (C =0,1%, Ni=3% et Cr

0,7%) dont les propriétés mécanique sont les suivantes : Limite d’élasticité : 70 daN/mm² Résistance à la traction admissible : 75 daN/mm² Allongement (%) : 13 Résilience : 180 J/ cm* Résistance à la traction : Nous négligeons le couple d’entrainement et moins important que la sollicitation en

traction à cause de sa vitesse de rotation faible. Nous avons pour la traction :

K � 1N O KdUc

Et

N � X�(4

78

Alors 41X�( O KdUc

� W 41XKdUc

AN : F=4000N, KdUc � 750[/��²

� W 4 < 40003,14 < 750 � 6.79��

On a choisit comme diamètre de l’axe d=15mm . Pour la longueur de l’axe, pour qu’il

n’y ait pas d’encombrement, il serait mieux de prendre L=250mm .

3.4) Eléments de transmission : Les éléments de transmission en partant du moteur électrique jusqu’à l’axe du pivot

sont : - une poulie motrice, - une courroie crantée, - une poulie réceptrice et - une roue et une vis sans fin.

3.4.1) Dimensionnement de la vis sans fin

La vis sans fin possède deux axes orthogonaux. Elle est constituée d’une roue et d’une vis sans fin, un dispositif qui permet une grande réduction de vitesse. Le nombre de dents z’ de la petite roue étant le nombre de filets de la vis. Une poussée axiale s’exerce sur la vis. Sa valeur voisine celle de l’effort tangentiel, donc il nécessite l’emploi d’une butée à billes pour le guidage de la vis.

Compte tenu du faible effort à transmettre, nous n’utilisons roue à denture droite et une vis sans fin à denture hélicoïdale.

3.4.1.a) Rapport de transmission : Le rapport de transmission permet de déterminer la réduction de vitesse et

l’augmentation du couple.

� � [��¡6[¢£¤ � ¥¢£¤¥��¡6

I : rapport de transmission N :nombre de tours par minute [tr/mn] Z : nombre de dents pour la roue et nombre de filet pour la vis 3.4.1.b) Les symboles en vis sans fin : �¦: durée d’utilisation en % .' … .-: facteur de caractéristique .Z: facteur de puissance i : rapport de transmission

79

�': vitesse d’entrée en [tr/min] �(: vitesse de sortie en [tr/min] �'¨: puissance nominale d’entrée en [kW] �(: puissance de la machine réceptrice en [kW] M(: couple de sortie

M( � 9550 < �([(

M(b: points de fonctionnement, couple de freinage ou de démarrage M(cd7: couple maximal acceptable sur une courte durée en [Nm] M(cd7 < : couple maximal acceptable sur une courte durée par des vitesses d’entrée inférieur n1

3.4.1.c) Détermination des tailles d’une vis sans fin : Après une présélection du réducteur effectuée comme suit M(¨ W 1,2 < M(, les

conditions suivantes doivent être remplies : M(¨ W M( < .' < .( < .* M(¨ W M( < .* < .+ < ., < .Z M(cd7 W M(b < .( < .* M(cd7 <W M(b < .( < .- Facteur de charge : La lettre G symbolise la charge uniforme. La lettre M symbolise la charge moyenne. La lettre S symbolise la charge forte. 3.4.1.d) Choix de la vis sans fin avec son type de lubrifiant : Moteur électrique : P1=0,2kW Vitesse du moteur : n1=150 tr/min Rapport de transmission i=49 ; n2=3,06 tr/min Couple nécessaire : T2=300Nm Couple maximal absorbé : T2A=450Nm Service journalier : inférieur à une heure Démarrage par heure : 0,16 fois/heure Durée horaire de service : �¦ �20% Température ambiante jusqu’à 20°C Lubrification par huile minérale M2[ � M2 < 1,2 � 300 < 1,2 � 360 .': facteur pour la durée de fonctionnement et type de charge .' � 0,8 .(: facteur de démarrage/ de couple et de freinage .( � 1 .*: facteur de lubrification .* � 1,2

80

.+: facteur de durée horaire de service .+ � 0,56 .,: facteur de température ambiante ., � 1 .-: facteur de direction de charge .- � 1 Ces valeurs sont obtenues grâce aux tableaux ci-dessous. Tableau 26 : Valeur des facteurs de caractéristique (Voir annexe vis sans fin) Application numérique : Comme nous avons : n1= 150 tr/min et i=49

Source : www.flender.com

81

Alors d’après le tableau ci-dessus nous avons : n2=3,06 tr/min P1N = 0,179kW T2N=334Nm T2max=436Nm f7=0,53 Vérifions, maintenant, si la taille de notre vis sans fin correspond ou satisfait la

condition de l’entrainement de l’hydrolienne. Pour cela, vérifions l’équation suivante : M(¨ W M( < .' < .( < .* M(¨ W M( < .( < .* < .+ < ., < .Z M(cd7 W M(b < .( < .* M(cd7 <W M(b < .( < .- © M(¨ � 334 W 300 < 0,8 < 1 < 1,2 � 288 ©© M(¨ � 334 W 300 < 1,3 < 0,56 < 1 < 0,53 � 115,72 ©©© M(cd7 � 436 W 450 < 1 < 1,2 � 540 ©ª M(cd7 <� 436 W 450 < 1,2 < 1 � 400 La condition III n’est pas remplie. Donc pour y remédier, utilisons de l’huile synthétique

f3=1. Nous choisissons celle de taille 63, lubrifiée par de l’huile synthétique, les dimensions

sont obtenues grâce à la nomenclature sur la figure 69 ci-dessous.

Figure 69 : Dimension de la vis sans fin de taille 63 Arbre de cotés A et B simultanément ou l’un d’eux seulement.

82


3.4.1.e) Différents montages : Ce type de vis sans fin peut se positionner dans différents orientation, comme le

montre le dessin ci-dessous. Figure 70 : Différents montage possible de la vis sans fin Dans notre cas, le montage VO ou VU.


3.4.2) Calcul de la transmission par courroie Les dimensions des courroies varient de 16 à 500mm comme largeur et de 400 à 10

000mm comme longueur et font l’objet des normes NF E 24-101 et 102. Nous utilisons une courroie crantées à cause de sa propriété de suppression du

glissement entre les poulies et la courroie et qui assure un rapport de transmission rigoureusement constant nécessaire pour les systèmes..

3.4.2.a) Formules de dimensionnement : Une poulie motrice de diamètre d, tournant à la vitesse n et transmettant une

puissance P, par l’intermédiaire d’une courroie, à une poulie de diamètre D tournant à une vitesse N ; sans glissement, la vitesse tangentielle v, qui est la vitesse linéaire de la courroie, sera la même pour les deux poulies, soit :

� � X�[ � X��

d’où le rapport de transmission :

Figure 71 : Système de transmission par courroie

83

Source : ENCYCLOPEDIE DES SCIENCES INDUSTRIELLES QUILLET [2]

Si F est l’effort correspondant à la puissance à transmettre P, il faut, pour qu’il y ait équilibre, que : 1 � M � �

Soit : � � 1 < ? � �M � �� < ? avec : P : en Watt [W] ; V en mètre par seconde [m/s] ; F, T et t en Newton [N] AN :

Nous avons vue que V1 = V2 = XD1N1 = XD2N2 Alors D1N1 = D2N2 �1�2 � [2[1 � � Supposons que : i = 2 et F=T-t=60N �1�2 � [2[1 � 2 = [2 � 2 < [1 � 2 < 150 � 300��/��

Et nous savons que : P = P1 = F1*V1

84

?1 � �111 � 18060 � 3�/�

V1 = XD1N1 =

�1 � ?1Π[1 � 30003,14 < 5 � 191,09��

= �2 � �1� � 191,092 � 95,54��

D’où �� `JJ ¬ �` � ��JJ L’entraxe des poulies est a=200mm. 3.4.2.b) Calcul de la longueur du courroie crantée: Pour déterminer la longueur d’une courroie crantée, on applique la formule suivante

[2]: ��' < X�2 : ��( < X�2 : 2 < �

Avec : �' �� (: diamètre des roues motrice et réceptrice �: entraxe AN : D1 � 192mm , D2 � 96mm et a=200mm �192 < 3,14�2 : �96 < X�2 : 2 < 200 � 852,16��

D’où nous utiliserons comme courroie crantée la T5-850, c’est une courroie dont les

spécifications techniques sont les suivantes : Largeur : 10mm Pas : 5mm Dents (Z) :170 Longueur : 850 Matière : PUR Figure 72 : Photo d’une courroie crantée

85

Source : www.ironwood-distribution.com

86

CHAPITRE 3 : SYSTEME DE COMMANDE

Dans ce chapitre, concernant la commande du système, l’entrainement en rotation de l’hydrolienne se fait automatiquement en fonction du sens d’écoulement de l’eau. Le sens d’écoulement de l’eau est reconnu à l’aide d’un capteur (mécanique ou électrique), ce dernier assure le contact électrique qui fait tourner le moteur d’entrainement.

Parmi les modèles de commande proposés, le modèle 2 est le plus avantageux. Ce

modèle est doté d’une came liée directement à l’arbre d’entrainement de l’hydrolienne pour l’arrêt automatique.

1) Principe de fonctionnement Ce système de commande est reconstitué par : - un capteur immergé, - deux contacteurs de marche et deux contacteurs d’arrêt, - une came mécanique, - un accumulateur de charge et - un moteur à courant continue.

Son principe de fonctionnement est comme suit : un capteur immergé est lié avec un

ensemble par un bras de levier qui balais un certain angle. A chaque fois que l’écoulement de l’eau change de sens, ce capteur se déplace d’un point à une autre. Sur chacun de ces points se trouve un capteur appelé « capteur de marche ». Ces capteurs sont actionnés lorsque le bras de levier du capteur le heurte. Dans ce cas, il enclenche le contact électrique qui fait tourner le moteur alimenté par un accumulateur de charge à courant continu. L’hydrolienne effectue une rotation de 180°, la cam e mécanique interrompt instantanément la connexion et l’alimentation en courant du moteur électrique et ainsi de suite. Dans la phase suivante, le sens du moteur est inversé. Pour la batterie d’accumulation, elle est chargée automatiquement puisqu’elle est connectée directement à l’ensemble de l’installation électrique du système de gestion. La figure 73 ci-dessous montre la disposition schématique du système de commande.

Figure 73 : Schéma de disposition du système de commande

1 : Contacteur d’arrêt dans le sens gauche 2 : Came 3 : Contacteur d’arrêt dans le sens droit

87

4 : moteur électrique 5 : batterie 6 : Contacteur de marche dans le sens gauche 7 : Contacteur de marche dans le sens droite 8 : Flotteur immergé

1.1) Commande manuelle Dans le cas où l’un des éléments qui constituent le système de commande tombe en

panne, cela n’entraînera pas l’arrêt de production d’énergie grâce à un système manuel. Un intervenant peut pivoter manuellement la vis sans fin avec une manivelle.

La manivelle d’intervention est insérée à l’autre extrémité libre de la vis sans fin. Une prise est conçue pour recevoir directement la manivelle. La prise est une rainure taillée au bout de la vis et la manivelle une languette d’entrainement, comme le montre la figure ci-dessous.

Figure 74 : Entrainement de la vis sans fin en mode manuel

1.2) Commande automatique A titre de démonstration et d’innovation, un autre système de commande automatique

sera réalisé et qui combine l’électricité, l’électronique et l’informatique. Ceci est beaucoup plus fiable, mais son coût de réalisation est plus élevé par rapport à celui qui est retenu. Il sera présenté durant la soutenance en tant que modèle d’innovation tout simplement.

L’avantage de ce modèle est la possibilité d’intervenir à tout moment pendant la

rotation de l’hydrolienne même si le capteur du sens d’écoulement est inopérant. La commande peut se faire à distance automatiquement ou manuellement sans descente sur le lieu d’implantation. L’autre avantage est que le suivi en temps réel des paramètres de l’hydrolienne peut être prélevé sur l’écran de l’ordinateur en installant différents capteurs, tels que :

- capteur de niveau d’eau - capteur de vitesse d’écoulement - capteur de sens d’écoulement - capteur de vitesse de rotation de l’hélice - capteur de position de l’hydrolienne

Le rendement de l’hydrolienne est, dans ce cas, facile à déterminer et à afficher sur

l’écran même si l’écoulement de l’eau varie brutalement. 2) Simulation des commandes 2.1) Présentation du logiciel: Pour la simulation du modèle nous utilisons le logiciel « Proteus 7 profesionnal ». Un

outil de conception en 3D créé pour simuler les circuits intégrés complexes.

88

Proteus est fourni avec deux programmes spécifiques pour les designs électriques en 3D : AREAS et ISIS. Le système de modélisation virtuel permettra de simuler, en temps réel, les différentes connexions qui peuvent être créées dans un microcontrôleur.

La figure ci-dessous représente l’interface du logiciel de simulation « Proteus 7

profesionnal » que nous utilisons durant les simulations des installations de commande du modèle.

Figure 75 : Interface graphique du logiciel « Proteus 7 professional »

2.2) Résultats après la simulation Le système de commande est automatique. La figure ci-dessous représente le modèle

sous notre logiciel.

Figure 76: Notre modèle de commande sous Proteus 7 profesionnal

89

Sur la figure nous avons, un moteur électrique à courant continu, deux thyristors, deux capteurs de position (représenté par un bouton poussoir sous la simulation), deux relais, deux batteries de 24V et deux contacts (représentés par des boutons poussoirs).

Voici les caractéristiques les paramètres des composants sur ce modèle de

simulation : Le moteur :

Les thyristors:

Les relais :

90

Les batteries :

Le principe de fonctionnement du circuit de commande sur le schéma électrique ci-

dessus est basé sur un moteur électrique à courant continu alimenté en double polarisation. Pour que ce soit réalisable, nous utilisons deux batteries. Sur le schéma, on remarque deux relais magnétiques pour chaque sens de rotation. Mais avant qu’une rotation s’exécute, un des deux relais doit être fermé. Dans ce cas, le moteur électrique n’est pas encore sous tension puisque le thyristor ne conduit pas encore. L’impulsion de gâchette est réalisée grâce à l’interrupteur lié directement avec le thyristor mais en réalité cet interrupteur est un capteur de position à contact qui détecte le sens d’écoulement de l’eau. Dès que la gâchette envoie un signal, le moteur tourne. Et avant l’arrêt définitif de l’hydrolienne, le contact de l’autre relais se met également en contact avant d’effectuer une rotation de 180°. Et c’est à ce moment que le moteur commence à perdre son couple et sa vitesse de rotation, mais l’hydrolienne est encore entrainée. Dès que l’angle 180° est atteint, le bouton de l’autre relais est ouvert et, le moteur s’arrête définitivement. Et le cycle se répète pour un nouveau sens de rotation.

Il est à préciser que, durant l’arrêt du moteur, on avait prévu d’utiliser une came.

Pourtant l’utilisation d’une came est impossible pour cette installation à cause de la durée de contact. Puisqu’avec une came, la durée de conduction des relais est instantanée, pourtant ce type d’installation demande un contact permanent durant le balayage en rotation de l’hydrolienne à 180°. Pour résoudre ce problème, no us devons alors employer un contacteur à balaie, comme représente le schéma sur la figure 77 ci-après.

Figure 77 : Représentation du système de balaie d’arrêt

91

Avant l’arrêt, les deux balais entre en contact avec la glissière, qui est un conducteur.

Donc, à cet instant le moteur électrique ne s’arrête pas définitivement mais progressivement. Et la vitesse de rotation du moteur diminue également, de même pour le couple d’entrainement.

Cette diminution s’explique comme suit. Si un seul balai entre en contact avec la glissière, la tension aux bornes du moteur est de l’ordre de 23,2 Volts. Par ailleurs, si les deux balais sont à la fois en contact avec la glissière, la tension aux bornes du moteur est de 5,91 Volts d’où la diminution du couple d’entrainement et de la vitesse de rotation du moteur.

La figure ci-dessous représente la tension aux bornes du moteur électrique dans les deux cas.

Figure 78: La tension aux bornes du moteur électrique durant l’entrainement de

l’hydrolienne. Un seul balai est en contact Deux balais sont en contant

Source : simulation sous PROTEUS

2.3) Désignation normalisée des composantes

• Moteur : Pour la motorisation voici quelques références adaptés au modèle : REF 106TA7537 REF 106TA7534 REF 105TA4594 REF 106TA7540 REF 106TA7541 REF 106TA7530 Ce sont tous des moteurs de traction capable de fonctionner dans un environnement

humide, et tous ces moteurs sont à courant continu de 24 Volts.

92

• Thyristor :

Deux références qui peuvent être utilisés: TSLBJ0306C THYRITOR 75V 50A SBM DO-214AA TSLBJ0307C THYRITOR 90V 90A SBM DO-214AA Relais : Pour les relais, nous utiliserons seulement que : RLY-DPNO Capteur de position : Le capteur de contact mécanique Patterson (SP-72GL140) est parfait. Figure 79. Capteur de position SP-72GL140

Source : www.zorldofrobot.fr

Batteries : Pour les deux batteries, nous pouvons utiliser tout type de batterie de 24 Volts Ex : BATTERIE 24V 2 MODULES CARDIN-Kitbatpprg852 Toutes les pièces de référence citées ci-dessus, on les retrouve sur le site :

« pdf.directindustry.fr » 3) Calcul de la motorisation Nous allons déterminer les paramètres du moteur tels que le couple d’entrainement le

courant nominal et le dispositif de sécurité de l’installation. 3.1) Couple du moteur et courant nominal Les paramètres du moteur à courant continu sont déterminés par un petit programme

sous C++ pour un moteur à courant continu. L’interface graphique de ce programme est représentée sur la figure ci-dessous. Figure 80: Logiciel de calcul de couple d’un moteur à courant continu

93

Sur la figure, les valeurs en bleu représente les valeurs connues et celle en rouge les

inconnues. Puisqu’on connait la vitesse de rotation idéale pour l’entrainement de l’hydrolienne et la puissance des moteurs électrique à 24 Volts, le logiciel calcule le couple délivré par le moteur en bout d’arbre.

Le moteur compatible à notre système est représenté sur la figure ci-dessous. Figure 81 : Photo du moteur retenu

Source :http://french.alibaba.com/product-gs/1000w-dc-gear-motor-with-em-brake-

491051654.html Détails du moteur: Tableau 27 : Fiche technique du moteur d’entrainement du modèle

Point d’origine La chine Nom de marque KEYA Numéro de type 130ZYT55PX11A3ZD Utilisation Bateau, industriel Type Moteur d’engrenage Couple 25Nm Construction Aimant permanent Commutation Brosse Protection du dispositif Drip-proof Vitesse (rpm) 300 Courant continu 55A Puissance de sortie 1000W Tension 24V Efficacité IE 1 Couple de freinage 9Nm Type de frein Mise hors tension

Source :http://french.alibaba.com/product-gs/1000w-dc-gear-motor-with-em-brake-491051654.html

94

Le courant nominal du moteur est de l’ordre de 55A, c’est cette valeur qui va nous permettre de calculer le câble correspondant de l’installation. 3.2) Dimensionnement des câbles électriques et des protections

Le dimensionnement des câbles électriques utilisés dans l’installation de la commande du moteur est calculé suivant la norme NF C15-100. Les formules présentées ici sont à utiliser seulement que jusqu’à 24Volts.

La formule ci-dessous donne la section correspondant à une perte de tension aux

bornes du consommateur de 3,3% (0,8V sous 24V).

R�~�� ¯��(° � n�� ¯N° < @��¯�°2 < M��¯?°

La longueur L est l’aller et le retour. Supposons le moteur à 10m de la batterie AN: Courant I=55A, Tension V=24V.

R�~�� ¯��(° � 55 < 2 < 102 < 24 � 23 ��²

Soit S=25mm²

Même si l’installation est sous 24V, selon la norme NF C15-100, nous devons installer les accessoires de protection suivants :

-Un parafoudre -Un dispositif de coupage d’urgence ou disjoncteur de branchement -Des protections différentielles -Des disjoncteurs ou porte fusible

• Parafoudre Pour le parafoudre nous utiliserons un « parafoudre de type 1 à haut pouvoir

d’écoulement DBM 1 255 L», avec un niveau de protection Up=2,5kV et des capacités d’écoulement de 25kA par pôle en 10/350, il dépasse largement ces mêmes recommandations garantissant de ce fait un haut degré de sécurité et de durabilité nécessaire à la continuité de service d’installations industrielles et tertiaires.

Figure 82 : Photo d’un parafoudre

Source : www.deltatechnique.com

• Disjoncteur de branchement

Pour de disjoncteur de branchement, nous utiliserons un disjoncteur magnétothermique 60A pour 24V à réarmement manuel permettant de protéger toutes les installations électriques contre les surintensités.

95

Figure 83 : Photo d’un disjoncteur magnétothermique.

Source: www.kent-marine.com

• Protection différentielle Pour la protection différentielle de notre installation nous utiliserons un disjoncteur

différentiel dont sa référence est « P/N 6A 3OOMA » Figure 84 : Photo d’une protection différentielle

Source : www.ebmarchand.com

• Interrupteur fusible Nous utiliserons comme interrupteur de fusible 32A / KV séries comme fusible de

protection du moteur électrique en cas de court-circuit ou défaut de masse. Figure 85: Photo d’un interrupteur fusible

Source : www.directyindustry.fr

• Schéma de principe

Ce schéma de principe correspond au schéma de câblage qu’on avait vu auparavant, il est à préciser que la disposition des composants respecte la norme NF C15-100. Le système de balaie d’arrêt automatique n’est pas présenté sur ce schéma, seul le système de protection a été mis en valeur.

96

Figure 86: Schéma fonctionnel de la protection électrique

97

CHAPITRE 4 : DESSINS DE DEFINITION ET GAMME D’USINAGE

1) Dessins de définition et tableau de fabrication de l’ensemble Le dessin de définition de l’ensemble tout est à l’annexe de dessin, les dessins de

définition de chaque élément sont présentés à échelle réduite non définie suivi directement de leur tableau de réalisation.

NB : Les dessins de définition a l’échelle sont en annexe.

1.1) Ancrage de stabilisation

1.1.a) Dessin de définition de l’ancrage de stabilisation Ci-après représente le dessin de définition d’un ancrage de stabilisation.

1.1.b) Tableau de réalisation de l’ancrage Tableau 27 a: gamme d’usinage de l’ancrage

N° de phase Opérations Matériels et outils

de vérification Croquis

1

1.1 Fer rond diamètre : ± D=35 mm, de longueur L’=1000mm

1.1.1 Découpe de la barre en 4 morceaux de longueur L=300mm

- Calibre à coulisse à cadran (TESA) - Marbre - Trusquin à règle mobile - Règle debout

98

2

1.2 Barres en acierC10d, de

longueur L=2000mm, de largeur l=15mm et d’épaisseur e=5mm. 1.2.1 Découpe en 8 morceaux de longueur L=227

1.3 4 disques en acier C10d de diamètre ± d=92mm, épaisseur e=3mm et chanfreiner à 135°.

1.4 4 tôles en acier C10d d’épaisseur e=3mm, de surface carré de côté a=284mm.

1.4.1 Fraisage de 4 trous symétrique dont l’entraxe est a’=160mm pour chaque disque.

1.4.2 Fraisage d’un trou de diamètre ± d= 82mm au milieu de la plaque

1.4.3 Chanfreiner l’arrêt du grand trou, dont l’angle d’inclinaison est 135° et dont le diamètre de l’autre extrémité du cercle est de l’ordre de 92 mm.

1.5 Soudure d’une vis M16*30 sur chaque trou de diamètre d=16mm.

1.6 Soudure de ces différents éléments pour former l’armature de l’ancrage comme le montre le dessin de définition de l’ancrage.

2.1 Quatre planches de longueur L=4500mm, largeur=250 et d’épaisseur e=12mm.

- Scie mécanique - Rapporteur d’angle de précision (TESA) -Fraiseuse universelle à bélier -Poupée-diviseur universelle -Foret de diamètre ± � � 16�� -Mandrin de perçage -Fraise de diamètre d=80mm -Outil à aléser -Soudure à l’arc enrobée. -Scie à main pour bois -Mètre ruban -Equerre -Stylo

99

3

2.2 Sciage des planches en morceau de longueur L=443mm

2.3 Montage des pièces pour former le coffrage en bois, comme le montre le croquis

3.1 Pour le béton, nous avons besoin 50 litres d’eau, 122kg de ciment, 0,14�* de sable et 0,28�* de gravions.

3.1.1 Coulage du béton avec un temps de séchage de 28 jours.

3.1.2 Décoffrage après 28 jours de pose.

- Marteau - Clous de maçon de 30mm. -Pelle -Seau métallique -Truelle

1.2) Eléments constituants de la structure porteuse Nous verrons ici le dessin de définition de la structure porteuse suivie également de

son tableau de réalisation. Le titre de chaque tableau reste le même que celui de l’ancrage. 1.2.a) Dessin de définition de la structure porteuse Ci-dessous représente le dessin de définition de la structure porteuse avec ses

dimensions fonctionnelles.

100

101

1.2.b) Tableau de réalisation de la structure porteuse Le tableau ci-après représente l’exécution de la structure porteuse. Les boulons utilisés

pour relier les barres sont : Vis H, M8–50 Ecrou H, M8. Tableau 28 : gamme d’usinage de la structure porteuse

N° de phase Opérations

Matériels et outils de

vérification Croquis

1 2

1.1 Barre de profilé IPE80 de longueur 5m

1.1.1 Découpage du profilé IPE80 en 4 parties égales de longueur L=1353mm

1.1.2 Usinage de l’autre extrémité des 4 parties, angle de pointe 90° ou 45° par rapport à l’axe de symétrie

2.1 Usinage de deux disques

à partir d’un morceau d’une barre d’acier 32 CND 12 de diamètre ø 150 et d’épaisseur de e=40 mm.

2.1.1 Découpage du morceau de barre en deux pièces dont leurs épaisseur e1= 12mm et e2=28

2.1.2 Usinage du disque 1, dressage de la surface A.

2.1.3 Chariotage de la surface B, dont la longueur est 10mm et de ø140mm, suivie directement d’un chanfrein de 45°

2.1.4 Démontage de la pièce et remontage de la pièce dans le sens inverse (le type de montage est le même)

2.1.5 Dressage de la partie C, jusqu’à ce que l’épaisseur de la pièce

-Mètre ruban -Scie mécanique -Fraiseuse universelle à bélier -Tour parallèle -Outil à dresser -Outil à charioter -Comparateur -Pied à coulisse

102

3

e1=10mm.

2.1.6 Réalisation d’un trou de diamètre ø d=18mm

2.2 Chariotage de la surface B

du disque 2, dont la longueur est de 25mm et de ø140mm

2.2.1 Dressage de la surface

A

2.2.2 Démontage et remontage de la pièce dans l’autre sens. (le type de montage est le même)

2.2.3 Dressage de la surface C jusqu’à ce que l’épaisseur e2= 25mm.

2.2.4 Chariotage de la surface B, longueur 15mm jusqu’au ø45mm

2.2.5 Chanfrein des angles vif à 45°

2.2.6 Réalisation d’un trou débouchant de ø18mm suivant l’axe de symétrie de la pièce

2.2.7 Alésage du trou ø18 en ø35H7

2.2.8 Chanfrein du bout à 45° 3.1 Trois Profilés en acier

L80x80x8 de 3 mètre pour la réalisation des barres verticales de la structure porteuse.

3.1.1 Découpage des profilés

dont la longueur L=2850mm

-Poupée mobile -Mandrin de perçage -pointe d’avant trou -Foret de ø10 -Foret de ø18 -Outil à aléser -Micromètre d’intérieur à trois touches 0-25 (Pierre Roche-Rolle) -Mètre ruban -Scie mécanique

103

4 5 6

4.1 Deux profilés en acier

L45x45x4.5 de longueur L=4 mètre pour les barres horizontales de niveau 1

4.2 Découpe des deux barres

en 4 nouveaux barres de longueur L=2000mm

5.1 Tôle d’acier C10d

d’épaisseur e=5mm et de surface carré de coté a=600mm pour la réalisation du socle des quatre poutres verticale.

5.1.1 Découpage du tôle en

quatre morceaux carré de coté c= 300mm

5.1.2 Fraisage de bout des

tôles découpées. En ajustant les côtes en 285mm c’est-à-dire en ébauchant de chaque coté de 7.5mm.

5.1.3 Perçage de quatre trous

de ø16 simultanément sur chaque plaque.

5.1.4 Surfaçage des deux

grandes surfaces pour qu’elles soient parallèles entre elles

6.1 Localisation des zones de

liaison entre : 6.1.1 Les barres verticales

L80x80x8 avec les socles. 6.1.2 Les barres verticales et

les barres horizontales de niveau 1(le niveau d’emplacement prescrit sur le dessin de définition et localisation des trous pour les boulons de

-Chalumeau pour oxycoupage manuel. -Douille à flamme maximale -Fraiseuse universelle. -Fraise en bout à dents rabotées. -Broche de perçage à trou multiple -Pied à coulisse -Rectification plane -Marqueur -Equerre

104

7

fixation après) 6.1.3 Les barres verticales

L80x80x8 et les poutres horizontales IPE80 de niveau 2.

7.1 Liaison des éléments

constituants 7.1.1 Soudure des socles avec

les poutres verticales 7.1.1.1 Création de deux

pièces de liaison de surface parallélépipédique pour chaque socle dont dimension : grand base B=50, petite base b=30, hauteur h=80 et d’épaisseur e=8.

7.1.2 Exécution des trous de fixation des barres verticales de niveau un selon le repère.

7.1.2.1 Répétition d’opération

pour le perçage des différentes barres (les L80x80x8 et les L45x45x4.5)

7.1.3 Soudage de la barre

horizontale de niveau deux avec les deux disques. En faisant attention à la symétrie et la concentricité de l’ensemble

7.1.4 Création de quatres

supports, obtenu à partir d’un bout de profilé L80x80x8 taillé comme le montre le croquis ci-contre.

7.1.4.1 Perçage du support

pour le boulon de fixation de la poutre horizontale de niveau 2 après.

-Soudure électrique à l’arc enrobé -Lunette de protection -Fraiseuse universelle -Mandrin de perçage -Foret de ø10mm -Clé correspondante pour le serrage des boulons de fixation

105

7.1.4.2 Soudure des supports

des poutres horizontales sur les barres verticales

7.1.5 Pose de la poutre

horizontale de niveau 2 sur l’ensemble soudé

7.1.5.1 Marquage des trous de

fixation 7.1.5.2 Perçage des trous de

ø10mm sur la poutre horizontale de niveau 2 suivant les marques précédentes.

7.1.5.3 Boulonnage de

l’ensemble par un vis H M8-50 Ecrou H M8

1.3) Griffe de liaison La griffe est l’élément assurant la liaison de l’hydrolienne avec le système de pivot, sa

forme est compliquée. Donc nous verrons par la suite le dessin de définition de cet élément suivie de son tableau de réalisation.

1.3.a) Dessin de définition de la griffe Ci-dessous représente le dessin de définition de la griffe dotée de ses cotations

fonctionnelles.

106

1.3.b) Tableau de réalisation de la griffe Le tableau ci-après représente la démarche d’exécution de la griffe




1

2

1.1 Deux barres d’acier C10d d’épaisseur e=8mm de longueur L=3m et de largeur l=85mm.

1.1.1 Découpage des barres

en trois portions de longueur L= 641mm.

1.1.2 Découpage des barres

en six portions de longueur L’=350mm.

1.1.3 Création de six pièces de renforcement

1.1.4 Soudure des barres découpées avec l’élément de renforcement en trois exemplaires.

2.1 Tube en acier C10d de diamètre extérieur

-Mètre ruban -Scie mécanique

Pièce de renforcement :

107

3

4

D=25mm, d’épaisseur e=1.5mm et de longueur L=2.5m

2.1.1Découpage du tube en 3

longueurs différentes : 6 exemplaires de

longueur L=295mm, 2exemplaires de longueur L=265mm et un exemplaire de longueur L=207mm.

3.1 Création d’un disque de

diamètre D=100mm et d’épaisseur e=30 à partir d’un barre en acier 32CND12.

3.1.1 Dressage de la face A

et chanfreinage du bout tranchant.

3.1.2 Démontage de la

pièce et remontage dans l’autre sens (le type de montage reste le même)

3.1.3 Dressage de la face B et mise en longueur de la pièce à L=30mm et chanfreinage du bout tranchant.

3.1.4 Réalisation de quatre avant trous concentriques de diamètre D=12mm sur un cercle de diamètre d=60mm et de profondeur p=25mm.

3.1.5 Taraudage des trous bornes dont la longueur des filets intérieurs est de 20 mm.

4.1 Création de la barre de liaison des griffes à partir d’un acier C10d de section rectangulaire de dimension : 10x6 de longueur L=2m.

4.2 Découpage de la barre en trois modèles de longueur

-Tour parallèle -Outil à dresser -Comparateur -Pied à coulisse -Fraiseuse universelle -Poupée diviseur universelle -Foret de ø12mm -Taraud M14 -Tourne à gauche à trois trous.

108

L=571mm. 4.3 Soudure des éléments

constituants de la griffe selon la forme sur le dessin de définition.

1.4) Arbre téléscopique L’arbre téléscopique est l’élément qui assure l’adaptation automatique de l’altitude

que va prendre l’hydrolienne en fonction du niveau d’eau. 1.4.a) Dessin de définition de la griffe L’arbre téléscopique est formé à partir de deux éléments. Alors pour la facilitation de

lecture du dessin de définition. Contenant

109

1.4.b) Tableau de réalisation du contenant de l’arbre téléscopique Ci-dessous représente le dessin tableau de réalisation du contenant de l’arbre

téléscopique.

110



1 2 3

1.1 Barre d’inox de diamètre D=50mm et de longueur L=250mm.

1.2 Montage de la pièce sur un tour

1.2.1 Dressage de l’autre bout sur un tour. 1.2.2 Centrage de la pièce 1.2.3 Démontage de la pièce et remontage à nouveau. 1.2.4 Chariotage de la pièce sur une longueur de L=220mm et de diamètre d=20mm. (montage mixte) 1.2.5 Chanfrein des angles vifs à 45°. 2.1 Démontage de la pièce et remontage dans l’autre sens. 2.1.1 Dressage de la nouvelle face et mise en longueur L=230mm. 2.1.2 Chanfrein de l’angle vif à 45° 3.1 Réalisation des rainures de longueur L=200, de largeur l=5mm et de profondeur p=5mm sur une fraiseuse universelle. L’opération est la même pour les deux rainures, même le montage, seulement leur disposition est symétrique par rapport à l’axe de la pièce et la longueur de l’autre rainure est l=178mm. 3.1.1 Perçage de 6 trous débouchant de diamètre d=6mm sur un cercle de rayon R=18mm sur le bout d’arbre.

-Mètre ruban -Tour parallèle -Comparateur -Outil à dresser -Outil à centrer -Mandrin de perçage -Outil à charioter -Pied à coulisse -Poupée mobile -Comparateur -Outil à dresser droit -Fraiseuse universelle -Outil à rainurer -Fraiseuse universelle -Poupée diviseur universelle -Mandrin de perçage

111

4

4.1 Vérification finale du produit fabriqué

-Foret de ø6mm -Mord doux de diamètre D=20mm -Pied à coulisse -Marbre -Equerre -jauge de profondeur

Contenu Le dessin ci-dessous représente la deuxième pièce constituant l’arbre téléscopique,

celle que l’on appelle « le contenu ». Cette élément se loge à l’intérieur du contenant,ce qui permet à l’arbre de varier en longueur.

112

1.4.c) Tableau de réalisation du contenu de l’arbre téléscopique Ci-dessous le tableau de réalisation du contenant de l’arbre téléscopique dont le

tableau possède les mêmes colonnes que celles du contenant de l’arbre.

N° de phase 0pérations Matériels et outils


1 2 3

1.1 Disque en inox de diamètre D=100mm et d’épaisseur e=15mm. 1.1.1 Dressage des deux faces pour que l’épaisseur du disque devienne e=10mm. 1.2 Perçage de 4 trous débouchant de diamètre d=12mm concentrique sur un cercle de øD=60mm. 2.1 Tube en inox de diamètre intérieur d=20mm et d’épaisseur e=2mm au minimum (e=5mm pour une raison de sécurité) et de longueur L=200mm. 2.2 Perçage de 5 trous de ø6mm suivant la longueur de la tube, distant entre eux d=30mm, où le premier trou se situe à 50mm du bout de la tube. 2.3 Perçage d’un trou de diamètre d=8 du coté opposé des 5 trous qu’on vient de percer dont l’emplacement est opposé direct au dernier 5ème trou précédemment. 3.1 Soudure de 5 écrous de M5 sur les trous de ø6mm et un écrou de M8mm sur le trou de ø8mm. 3.2 Taraudage des écrous soudés jusqu’à l’intérieur du tube. 3.3 Soudure du disque avec le tube suivant le dessin de définition ci-dessus.

-Pied à coulisse -Tour parallèle -Outil à dresser -Fraiseuse universelle -Mandrin de perçage -Foret de ø12mm -Poupée diviseur universelle. -Pied à coulisse -Fraiseuse -Mandrin de perçage -Foret de ø6 -Foret de ø8 -Soudure électrique à l’arc enrobée. -5 vis Chc 5mm et une vis Chc 8mm. -Pince croquante. -Taraud de ø6 et ø8 -Tourne à gauche. -Pied à coulisse

113

3.4 Vérification finale de l’ensemble «contenant et contenu » si le système est cohérent.

1.5) Arbre de pivot L’arbre du pivot est en fait l’élément clé qui assure le pivotement de l’hydrolienne sur

elle-même. Cet arbre assure également la fixation de l’hydrolienne sur la structure porteuse par l’intermédiaire des roulements, l’entretoise et la vis écrou.

1.5.a) Dessin de définition de l’arbre du pivot

1.5.b) Tableau de la gamme d’usinage de l’axe du pivot Les colonnes seront toujours les mêmes.



1

1.1 Barre d’acier de construction mécanique C10d de longueur L=700mm et de diamètre D=50mm.

1.2 Dressage de la face A 1.3 Centrage de la face A 1.4 Démontage de la pièce ; remontage de la pièce en changeant de type de montage (montage mixte)

-Tour parallèle -Outil à dresser -Mandrin de perçage -Outil à centrer -Pointe mobile

114

2 3 4 5

2.1 Chariotage de la pièce sur une longueur L=242mm et de diamètre d=20mm. 2.2 Chariotage à nouveau de la pièce sur une longueur L=197mm et de diamètre d=15p6. 2.3 Rectification cylindrique de la tige sur une longueur de L=20±0,1 (voir croquis) 2.4 Chariotage de la pièce sur une longueur L=50mm et de diamètre d=12mm. 2.5 Chanfrein du bout tranchant 3.1 Filetage de la tige en M12 de longueur L=30mm. 3.2 Réalisation d’une embase d’épaisseur e=3mm. 4.1 Démontage de la pièce, suivie d’un remontage mais dans l’autre sens. (Type de montage en l’air) 4.2 Découpage de la pièce pour longueur L=253mm. 4.3 Dressage de la face B, et mise en longueur définitive L=250mm. 5.1 Montage de la pièce sur une fraiseuse pour la réalisation de six trous et le montage avec l’arbre téléscopique. Six trous répartis sur un cercle de diamètre D=35mm et chacun de diamètre d=6mm. 5.2 Réalisation d’un logement de clavette pour dimension L=17mm et profondeur p=3mm et épaisseur e=5mm. 5.3 Vérification finale de la pièce.

-Outil à charioter -Pied à coulisse -Outil à charioter en acier en carbure -Micromètre de précision. -Meule à rectification cylindrique sur tour. -Comparateur à palpeur. -Outil de forme à fileté. -Calibre de forme. -Mord doux pour 20mm de diamètre. -Outil à tronçonner -outil à dresser. -Pied à coulisse. -Fraiseuse universelle -Poupée diviseur -foret de diamètre 6mm. -Fraise de diamètre 5mm. -Micromètre -Comparateur -Pied à coulisse

115

1.6) Entretoise

L’entretoise est l’élément mécanique qui a le même rôle qu’une rondelle d’appui mais leur différence réside au niveau de sa longueur, on a une entretoise lorsque la formule suivante est vérifiée :

L>D 1.7.a) Dessin de définition de l’entretoise Ci-dessous la représentation du dessin de définition d’une entretoise pour l’appui au

serrage de l’axe du pivot et l’ensemble des arbres de transmission du système tout entier.

1.6.b) Tableau de réalisation de l’entretoise C’est l’élément le plus facile à construire parmi les pièces à réaliser d’où ci-dessous

nous verrons le tableau de réalisation ou gamme d’usinage de notre pièce.




1 1.1 Découpage d’un tube métallique en acier C10d de diamètre intérieur d=16mm et de diamètre extérieur au minimum D=26mm a une longueur L=35mm 1.2 Dressage de la face 1 1.3 Dressage de la face 2 et mise en longueur de la pièce L=30mm.

-Scie mécanique -Pied à coulisse -Tour parallèle -Outil à dresser -Pied à coulisse

1.7) Raccord supérieur

Pour assurer l’entrainement de l’axe du pivot avec la vis sans fin, un élément mécanique, appelé « raccord supérieur » combiné avec le raccord inférieur que nous verrons plus tard, va être installer pour réaliser cette tâche.

1.7.a) Dessin de définition du raccord supérieur

116

Ci-dessous représente le dessin de définition du raccord supérieur seulement sans le raccord inférieur.

1.7.b) Tableau de réalisation du raccord supérieur Le tableau ci-dessous représente la gamme d’usinage du raccord supérieur.



1 2

1.1 Découpage d’une barre en acier c10d de diamètre D=120mm à une longueur L=55mm. 1.2 Dressage de la face A 1.3 Démontage de la pièce et remontage à nouveau de la pièce dans l’autre sens. 2.1 Dressage de la face B et mise

en longueur de la pièce L=50mm.

2.2 Centrage de la pièce 2.3 Perçage d’un trou débouchant de diamètre D=14mm. 2.4 Alésage du trou intérieur dont la trajectoire de l’arrêt tranchante de l’outil fait un angle 150° et la longueur de passe est

-Scie mécanique -Pied à coulisse -Tour parallèle -Outil à dresser -Comparateur -Outil à dresser -Pied à coulisse -Outil à centrer -Mandrin de perçage -Poupée mobile -Outil à charioter coudé -Outil à aléser

117

3 4 5 6 7

L=40mm. 2.5 Chariotage de la pièce pour réaliser le tronc de cône dont l’angle de la trajectoire de l’outil est 150°. 3.1 Démontage à nouveau de la

pièce et remontage dans l’autre sens.

3.2 Alésage du trou diamètre D=14mm en diamètre D’= 76mm. 4.1 Découpage d’un tube en acier c10d de diamètre extérieur au minimum D=38mm et diamètre intérieur d=28mm en longueur L=52mm. 4.2 Dressage de la face A 4.3 Démontage et remontage de la pièce dans l’autre sens 4.4 Dressage de la face B et mise en longueur L=50mm 5.1 Montage de la pièce sur une fraiseuse pour la réalisation de la rainure de clavette. Dont sa dimension sont : longueur le long de la tube, largeur l=5mm et profondeur = 3mm. 5.2 Réalisation d’un avant trou de diamètre d=8mm (pour le logement d’une vis à téton). 6.1 Taraudage du trou latérale pour que le tour soit fileté en M10. 6.2 Démontage de la pièce sur la machine. 6.3 Soudure des deux pièces en respectant le dessin de définition du raccord supérieur et la concentricité de l’ensemble. 7.1 Montage de l’ensemble sur une fraiseuse universelle pour la réalisation des quatre trous de diamètre d=5mm sur un cercle de diamètre D=50mm.

-Outil à charioter -Comparateur -Outil à charioter droit -Scie mécanique -Pied à coulisse -Tour parallèle -Outil à dresser -Comparateur -Fraiseuse universelle -Outil à rainurer -broche de rainure -Jauge de profondeur -Mandrin de perçage -Forêt de diamètre d=8mm. -Taraud pour M8 -Tourne gauche. -soudure électrique à arc enrobé. -Marbre -Fraiseuse universelle -Foret de diamètre 5mm

118

7.2 Vérification de l’ensemble finale.

-Poupée diviseur -Pied à coulisse -Jauge de profondeur

1.8) Le raccord inférieur Cette pièce est la conjuguée du raccord. Cette pièce est reliée directement avec l’axe

du pivot et est fixée grâce à l’écrou de fixation serré sur l’arbre du pivot. 1.8.a) Le dessin de définition du raccord inférieur Ci-dessous la représentation du dessin de définition du raccord inférieur seule.

1.8.b) Tableau de réalisation du raccord inférieur Le tableau ci-dessous représente le dessin de définition du raccord inférieur, le tableau

de réalisation ou gamme d’usinage est toujours le même.



1

1.1 Découpage d’une barre d’acier c10d de diamètre D=120mm en longueur L=30mm. 1.2 Dressage de la phase A

-Scie mécanique -Pied à coulisse -Tour parallèle -Outil à dresser

119

2 3 4

1.3 Centrage de la pièce.

1.4 Réalisation d’un trou débouchant de diamètre d=16mm. 1.5 Chariotage de la pièce, sur une longueur L=20mm et jusqu’à un diamètre D=26mm. 2.1 Démontage de la pièce sur le tour et remontage de la pièce à nouveau mais cette fois-ci dans le sens inverse. 2.2 Dressage de la face B et mise en longueur définitive de la pièce où L=30mm. 3.1 Montage de la pièce sur une fraiseuse universelle pour la réalisation de la rainure de clavette. 3.2 Réalisation de rainure de clavette de dimension : Longueur, le long de la pièce toute entière, profondeur p=3mm et largeur l=5mm. 3.3 Montage de la pièce sur une fraiseuse pour la réalisation des trous de liaison avec le raccord supérieur. 3.4 Perçage de quatre trous sur un cercle de rayon 50mm, dont les trous a pour diamètre d=10mm. 4.1 Vérification finale de la pièce suivant les dimensions du dessin de définition.

-Outil à centrer -Mandrin de perçage -Foret de diamètre 16mm -Outil à charioter -Pied à coulisse -Comparateur -Mord doux de diamètre 26mm. -Outil à dresser -Pied à coulisse -Fraiseuse universelle -Etau et des cales d’appuis -Outil à rainurer -Broche de réalisation d’une clavette. -Poupée diviseur -Mandrin à trois mord doux concentrique. -Foret de diamètre 10mm. -Pied à coulisse. -Raccord supérieur

1.9) Poulies d’entrainement Simple calcul des dents pour chaque poulie Le diamètre de la première poulie D1=192mm, le pas d’une courroie opter est p1=5mm

donc l’épaisseur d’une dent est e=2,5mm. Alors, le périmètre de la première poulie est : p1=2πR1 D’où le nombre de dents de la poulie 1 est :

[�� 1� � 2 < 3,14 < 962,5 � 241,15

[�� 1 � 241��

120

Même démonstration pour le calcul des dents pour la poulie D2=96mm [�� 1� � 2 < 3,14 < 482,5 � 120,57

[�� 2 � 121�� 1.9.a) Dessin de définition des poulies .

Avec D1=192mm, e1=15mm, nombre de dents N1=241dents et d1=18k6 Et D2=96mm, e2=15mm, nombre de dents N2=120dents et d2=18k6 1.9.b) Tableau de réalisation des poulies Comme la démarche de réalisation des poulies est la même alors une seule gamme

d’usinage suffit pour la présentation. Les valeurs de dimension correspondent à celui en caractère gras sur le dessin de définition ci-dessus selon le type de poulie à exécuter.



1 2

1.1 Découpage d’une barre d’acier c10d de diamètre D=200mm à une épaisseur e=18mm. 1.2 Dressage de la face A suivie d’un chanfrein de l’angle vif 2.1 Démontage de la pièce et

remontage de la pièce à nouveau mais dans l’autre sens avec le même type de montage.

-Scie mécanique -Pied à coulisse -Tour parallèle -Outil à dresser -Comparateur

121

3 4

2.2 Dressage de la face B et mise en épaisseur e=15mm suivie directement d’un chanfrein d’angle. 2.3 Centrage de la pièce 2.4 Réalisation d’un trou de diamètre d (selon le type de poulie à exécuter). 2.5 Démontage de la pièce 3.1 Montage de la pièce sur une fraiseuse universelle pour la réalisation de la rainure de clavette. 3.2 Réalisation de la rainure dont la dimension est définie sur le dessin de définition. 3.3 Démontage de la pièce 4.1 Montage de la poulie sur la poupée diviseur pour la préparation du taillage des dents. (Montage de type spécial) 4.2 Taillage des dentures selon le nombre de denture N. Dimension des dentures : pas=5mm, saillie=1mm et creux=1,5mm. 4.3 Démontage de la pièce et vérification finale suivant les côtes fonctionnelles.

-Outil à dresser -Pied à coulisse -Mandrin de perçage -Outil à centrer -Foret de diamètre d. -Fraiseuse universelle -Etau et cale d’appuis -Broche pour la réalisation d’une rainure. -Outil à rainurer -Poupée diviseur -Outil de forme pour le taillage de la roue -Mandrin à mord doux (prise extérieur)

2) Présentation du modèle réduit La commande utilisée dans ce modèle consiste à entrainer l’axe du pivot par

l’intermédiaire d’une vis sans fin. Cette vis est entrainée par un moteur pas à pas piloté par un logiciel conçu pour ce cas précis. Le principe est de détecter le sens d’écoulement de l’eau à l’aide d’un capteur mécanique entrainé dans l’eau et ce capteur heurte à son tour un autre capteur de contact qui informe le logiciel de déclencher le moteur pas à pas sous tension permanent.

122

2.1) Modèle de structure Ce modèle est réduit à une échelle de 0,2. L’objectif de ce modèle c’est de démontrer

la forme de l’ensemble avec ses mécanismes. Ci-dessous la forme de la structure réduite (L’hydrolienne et le capteur immergé ne sont pas présent sur les photos).

Figure 87 : Photo du modèle réduit

2.3) Modèle de commande

La commande du modèle réduit est basée sur le programme crée sous C++, c’est petit

logiciel capable de gérer deux signaux d’entrée et deux signaux de sortie. Le fonctionnement est comme suit, un moteur « brushless » alimenter en permanence sous 12Volts et 5Volts attend les signaux de consigne binaire pour exécuter la rotation voulue. C’est signaux proviennent du logiciel, tans que l’un des capteurs ne sont pas actionner, ces consigne de sorties n’est pas opérationnelles d’où aucun mouvement.

123

PARTIE III : ANALYSE ECONOMIQUE ET IMPACT

ENVIRONEMENTAL

124

PARTIE III ANALYSE ECONOMIQUE ET IMPACT ENVIRONEMENTAL Voyons la comparaison de l’analyse économique de notre installation au niveau

de l’énergie par rapport à l’énergie fournie par JIRAMA. Par ailleurs, dans l’analyse de l’impact environnemental de notre système face au milieu où on va immerger l’hydrolienne s’avère nécessaire.

CHAPITRE 1 ANALYSE ECONOMIQUE Dans ce chapitre, nous avons deux sous-chapitres dans le but d’évaluer le coût

du projet et l’analyse de rentabilité. 1) Evaluation du coût du projet Pour l’évaluation du coût, nous allons tout d’abord calculer le coût de

l’installation sans le pivot ensuite ce coût avec le pivot. Cette démarche est utile pour l’analyse de rentabilité.

1.1) Modèle sans pivot Soit l’hydrolienne de SMART-HYDRO sans modification. 1.1.a) Coût total de l’installation Le coût sera le prix d’usine de l’hydrolienne plus le frais de transport,

l’assurance, fret, le dédouanement et le coût de l’installation (ouvriers et matériels à utiliser).

Tableau 29 : Prix d’usine de l’hydrolienne.

Désignation Nombre Prix unitaire (Ariary) Prix tota l

Hydrolienne 1 15 000 000 15 000 000

Appareil auxiliaire 1 15 000 000 20 000 000

Batterie 96 Volts 1 210 000 210 000

Système de protection électrique 1 600 000 600 000

Câble spéciale 10 mètre 5000/ mètre 50 000

Total 35 760 000 Ar

Source : Correspondance mailing avec le fournisseur Karl Kolmsee ([email protected])

125

Tableau 30: Coût du frais de transport maritime

Exportateur Importateur TOTAL

Désignation Allemagne Madagascar

Prix FOB 220 000 - 220 000

Prix CAF - 1 000 000 1 000 000

Frais de transit 200 000 200 000

1 420 000 Ar

Source : http://www.cotation-export.com/pages/devis_transport_international.php FOB: Free On Board CAF: Coût Assurance Fret Tableau 31 : Frais de douane Tamatave DD : droit de douane DA : droit d’accise TVA : taxe sur la valeur ajoutée TPP : taxe sur le produit pétrolier TVAPP : taxe sur la valeur ajoutée des produits pétroliers

Désignation DD TPP DA TVA TVAPP

Pourcentage 10% 0% 0% 20% 0%

Valeur réel [Ar] 357 600 0 0 751 200 0

Total 1 108 000 Ar

Source : http://www.douanes.gov.mg/index.php/tarifs/details/4879/3/2008 Le poids du produit à transporter est de 550 kg (Tableau 33). Pour le trajet un

camion de 3 tonnes suffit pour le voyage avec une consommation de 15 litres au 100 km chargé. En outre, le prix du gasoil est actuellement à 2650 Ariary.

Le trajet du produit doit se faire en deux phases (tableau 32).

126

Tableau 32 : Distance total à parcourir

Enlèvement Livraison

Phase 1 Lieu Toamasina Antananarivo

Distance [km] 324

Phase 2 Lieu Antananarivo Mahajanga

Distance [km] 562

Total 886 km

Tableau 33 : Le poids du produit à transporter

Désignation Poids (kg)

Hydrolienne 300

Accessoires 150

Outil d’installation 100

Total 550 kg

Tableau 34 : Le coût du gasoil en fonction de la consommation du camion

durant le trajet complet

Désignation Prix du litre (ar)

Consommation (l/100km)

Distance à parcourir

(km)

Consommation par km (litre)

Prix par km (Ar)

Gasoil 2650 15 886 0,15 397,5

Total 352 185 Ar

127

Tableau 35 : Le coût de location du véhicule de transport.

Trajet Poids total (kg) Prix du kilo (Ar) Total (Ar)

Phase 1 + phase2 550 140 77 000

Total 77 000 Ar

Source : Go transporteur

Ici, on a supposé que le poids durant les deux phases du trajet reste le même. Tableau 36 : Le coût d’installation (Le coût des mains d’œuvre)

Désignation Nombre Main d’œuvre/heure Durée d’installation Coût (Ar)

Electricien 1 3000 6 heures 18000

Ouvrier 2 2000 6 heures 12000

Docker 6 600 6 heures 3600

Total 33600 Ar

Tableau 37 : Le coût total du projet sans pivot

Prix d’usine de l’hydrolienne 35 760 000

Coût du frais de transport maritime 1 420 000

Frais de douane Tamatave 1 108 000

Coût du gasoil 352185

Coût de location du véhicule de transport 77 000

Coût d’installation 33600

TOTAL 38 750 785 Ar

1.1.b) Rendement de la machine Nous savons que l’hydrolienne fournie par SMART-HYDRO est une machine

destinée à fonctionner sous l'eau 24 heures sur 24, à produire une puissance de l’ordre de 5 kW.

128

1.2) Model avec pivot Dans ce paragraphe, nous allons établir le coût total de l’installation de

l’hydrolienne avec les éléments assurant le pivotement de l’hydrolienne suivant l’écoulement du fluide.

1.2.a) Coût de l’installation

Coût de l’hydrolienne et ses accessoires 35 760 000 Ar Frais maritime 1 420 000 Ar Frais de douane 1 108 000 Ar

Sur les tableaux 38 et 39, ci-dessous, nous verrons le coût du transport terrestre du modèle avec pivot. Mais pour obtenir ce tableau, plusieurs paramètres doivent tous d’abord évalués et en les additionnant que nous obtiendrons le coût du transport terrestre.

Tableaux 38 et 39 : Le coût du transport terrestre. Paramètre 1 : Poids du produit à chaque phase de trajet

Enlèvement Livraison Poids du produit (kg)

Phase 1 Lieu Toamasina Antananarivo

550 Distance 324

Phase 2 Lieu Antananarivo Mahajanga

1 200 Distance 562

Paramètre 2 : Tarif de location du 3 tonnes

Trajet Toamasina Antananarivo Mahajunga

Prix du kilo (Ar) 70 90

Poids du produit (Kg) 550 1 200

Prix du trajet 38 500 108 500

Total 146 500 Ar

D’après les renseignements qu’on a pu recueillir, en moyenne la consommation

des camions de 3 tonnes est présentée par le tableau ci-après.

129

Paramètre 3 : Coût du carburant durant le trajet en fonction de la consommation du véhicule.

Situation du véhicule Vide Chargé

Consommation (L/100km) 8 15 à 3 tonnes

Consommation dans la phase 1 (L/100km) - 10 à 0,55 tonne

Consommation dans la phase 2 (L/100km) - 12 à 1,2 tonnes

Paramètre 4 : Coût du gasoil durant la trajectoire toute entière

Trajet Prix du litre (Ar)

Coût du gasoil par km (Ar)

Coût durant le trajet (Ar)

Toamasina - Antananarivo 2 650

265 85 860 Antananarivo - Mahajanga 318 178 716

Total 264 576 Ar

Tableau 40 : Le coût total du transport terrestre

Tarif de location du camion (Ar) 146 500

Coût du gasoil pour le trajet (Ar) 264 576

Total 411 076 Ar

Tableau 41 : Le coût de réalisation et installation de l’hydrolienne avec pivot

(MO : Main d’œuvre)

Coût direct Dépense direct Total

Matériaux

Objet Désignation Unité Quantité Prix unitaire Matériaux Matéri

els MO

Encrage

Ciment kg 112 500 56 000

gravillon �* 0,28 30 000 8400

sable �* 0,14 20 000 2800

eau litre 50 200 10 000

Fer rond de ø 35mm m 1 60900 60 900

Barre d’acier C10d 15x5mm m 2 22 850 45 700

Barre d’acier C10d ø92mm m 0.15 221 800 33 270

Tôle d’acier C10d

284x284x3mm m² 0,08 29 000 2 320

130

Matériaux

Matériaux

Vis M16x30 en acier

inoxydable U 16 5 510 88 160

Total 309 870

Structure porteuse

IPE 080mm m 5 93 200 466 000

Barre d’acier 32 CND 12 ø150mm

m 0,04 287 000 11 480

L80x80x8 mm m 3 24 650 73 950

L45x45x4,5 mm m 4 14 500 58 000

Tôle d’acier C10d

600x600x5mm m² 0,36 32 000 11 520

Total 620 950

Griffe

Barre d’acier C10d 85x8mm m 3 87 000 261 000

Tube d’acier C10d ø25x1,5

mm m 2,5 17 200 43 000

Barre d’acier 32 CDN 12 de

ø100mm m 0,03 241 000 7 230

Barre d’acier C10d 10x6mm

m 2 29 000 58 000

Total 369 230

Arbre téléscopi

que

Barre d’inox ø50mm m 0,25 118 500 29 625

Disque en inox ø100mm m 0,015 240 000 3 600

Tube en inox ø20x5mm

m 0,2 16 000 3 200

Ecrou M5 U 5 5 300 26 500

Ecrou M8 U 1 4750 4750

Total 67 675

Arbre de pivot

Barre d’acier de

construction mécanique

C10d de ø50mm

m 0,7 120 530 84 300

Roulement 51102 U 1 25 810 25 810

Roulement A 4059 U 1 43 500 43 500

Total 153610

Entretoise

Tube d’acier C10d de ø26 x

10mm m 0,035 17 400 609

Total 609

Raccord Barre d’acier c10d ø120mm m 0,085 289 200 24 582

131

Total 24 582

Poulie

Barre d’acier C10d ø200mm

m 0,04 482 100 19 284

Total 19 284

Commande

Moteur pas à pas U 1 580 000 580 000

Microprocesseur et ses

composants U 1 60 000 60 000

Capteur de contact U 2 40 000 80 000

Câble électrique de

section S=25mm²

m 10 800 8 000

Courroie crantée (T5-

850) U 1 50 000 50 000

Total 778 000 2 343 810

Matériels

Encrage

Planche de 4500x250x12

mm U 4 3000 21 000

Clous de maçon de

30mm Kg 0,5 2000 1 000

Scie à main pour bois U 1 232 000

232 000

Marteau U 1 66 700 66 700

Pelle U 1 87 000 87 000

Seau métallique U 2 32 000 64 000

Truelle U 1 43 500 43 500

Mètre ruban U 1 3 000 3 000

Total 518 200

Structure porteuse

Oxygène Acétylène m3 7 45 000 315 000

Electrode enrobée (Rutiles)

Paquet de 100

1 46 835 46 835

Marqueur U 1 1 500 1 500

Arbre téléscopi

que

Vis Chc 5 U 5 4 669 23 345

Vis Chc 8 U 1 6 757 6 757

Total 393 437 911 637

MO Atelier

1 Tourneur Heure 12 2 000 24 000

1 Fraiseur Heure 12 2 000 24 000

1 Soudeur Heure 12 2 000 24 000

Docker Personne 5 3 000 15 000

Total 87 000

132

Chantier

1 Electricien Heure 24 2 000 48 000

1 Mécanicien Heure 24 2 000 48 000

2 Plongeurs Heure 12 2X2 000 48 000

Docker Personne 5 3 000 15 000

Total 159 000 246 000

TOTAL 3 501 447

L’estimation du coût du projet est donnée dans le tableau suivant en utilisant les

prix unitaires précédemment calculés. Tableau 42 : Bordereau de détail estimatif (BDE)

Désignation Montant (Ar)

Coût de l’hydrolienne et ses accessoires 35 760 000

Frais maritime (CAF) 1 420 000

Frais de douane 1 108 000

Coût du transport 411 076

Coût de réalisation et d’installation 3 501 447

Total 42 00 523 Ar

2) Etude de rentabilité

2.1) Introduction Un investissement est considéré rentable dans la mesure où le flux des recettes

qu’il rapporte est supérieur à la dépense qu’il représente. Pour mesurer la rentabilité économique d’un investissement, la théorie microéconomique classique retient l’appréciation de la rentabilité économique, à savoir :

- La valeur actuelle nette (VAN) - Le taux interne de rentabilité (TIR) - Le délai de récupération du capital des investissements (DRCI) 2.2) Détermination de la VAN La valeur actuelle nette (VAN) est la somme des « cash-flows » prévisionnels

du projet actualisés au taux de rendement minimum exigé qui est le taux d’actualisation.

?N[ � ² 19�1 : ��³9´£ � e

133

19: Représente les flux de trésoreries des années 1 à n appelé « cash-flow ». Il est déterminé par la relation suivante : 19 � �P´ : N� P´ � P�~�� é�� N: N�� 19�1 : ��³9: Cash-flow actualisé

i: Taux d’actualisation I: Investissement initial; I= Ar 42 200 523 2.2.a) Recette Pour déterminer la recette, nous allons calculer le coût de l’énergie fournie par

l’hydrolienne durant une année en se basant au prix du kilowattheure du JIRAMA. Pour cela nous allons définir en premier, la puissance fournie par l’hydrolienne doté de pivot durant 24 heures, ensuite le coût de l’énergie produite suivant la référence du JIRAMA et pour terminer le coût total en une année.

Les courbes suivantes représentent la vitesse d’écoulement de l’eau d’Antsanitia et la puissance de l’énergie développée durant 24 heures (figure u).

Figure 89 : Coubre de production d’énergie durant 24 heures

Source : Données des marées d’Antsanitia

134

Ces résultats ont été obtenus on calculant la puissance développée par l’hydrolienne en fonction de la valeur des vitesses d’écoulement de l’eau d’Antsanitia dans le chapitre 1.

Si on interprète la courbe de puissance et selon le constructeur de

l’hydrolienne, à partir de 3,5m/s la puissance développée par la machine est de 5kW, en faisant la moyenne des puissances produite durant 24 heures, on a:

Tableau 43 : Valeur des puissances développées par l’hydrolienne

Heures 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Puissance (Kw) 5.7 4.4 2.5 0 1.8 2.3 3 5.2 0

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

2 2.5 5 5.7 4.4 2.5 0 1.8 2.3 3

20 21 22 23 24

5.2 0 2 2.5 5.08

Source : Données marées d’Antsanitia Puissance moyenne développée durant 24 heures est :

P moy/24h = (somme des puissances) / 24 = 2,84 kW/h La puissance moyenne durant 24 heures = 2,87kW/j

Puissance moyenne développée en une heure : P moy/h = 2,87/24 = 0,12kWh

Donc, en une heure, il fourni 0,12 kWh. Le kWh est facturé par le JIRAMA environ 205 Ariary. Donc 0,12 kWh coûtent :

205 x 0,12 = 24,51 Ariary Le coût durant 24 heures = 24,51x24 = 588,33 ariary Le prix de l’énergie durant un mois = 588,33x30 = 17650 ariary

Comme le calcul est basé sur le tarif du JIRAMA, alors incluant tout les frais sous ses factures.

Désignation Montant (Ar)

Consommation 17 650 Redevance 6 450 Prime fixe 8 943

Sous total JIRAMA 33 043

Taxe communale 960 Surtaxe commerciale 10,40 Redevance Fonds National pour l’Electricité 266,24 TVA 3 490

Sous total Etat et Service Publics 4 726,43

TOTAL 37 769,43

135

La Recette total de l’hydrolienne avec pivot durant une année est : 37 769,43 x 12mois = 453 233,16 Ar avec un taux de croissance de 2%. Ce

taux est dû à l’inflation économique.

La recette total e durant une année 453 233,16 Ar 2.2.b) Dépense Pour pouvoir maintenir en bon état le système tout entier, il faut les entretenir.

Nous suggérons de faire des travaux d’entretien courant d’une valeur estimés à 20% de la recette du projet.

2.2.c) Taux d’actualisation Cette valeur dépend du taux directeur de la banque centrale et du taux

d’inflation actuelle. Actuellement cette valeur est au allons tour de i=10 %. 2.2.d) Amortissement L’amortissement de notre projet correspond à la durée de service escomptée

de l’hydrolienne qui est égale à 8 ans. Suivant l’arrêt ministériel, le taux d’amortissement linéaire t est à 20% pour une machine industrielle. N � e < � � 42 200 523 < 0,2 � 8 440 104,6

2.2.f) Recette nette « Rn » La recette nette est la recette déduite de toutes dépenses. Elle s’exprime

comme suit : P� � P�~�� é��

Année Recette [Ar] Dépense [Ar] Rn [Ar]

1 453233.16 90646.632 362586.528

2 462297.823 92459.5646 369838.2586

3 471543.78 94308.7559 377235.0237

4 480974.655 96194.9311 384779.7242

5 490594.148 98118.8297 392475.3187

6 500406.031 100081.206 400324.8251

7 510414.152 102082.83 408331.3216

8 520622.435 104124.487 416497.948 2.2.g) Cash-flow Le cash-flow ou flux financier net est le solde des flux de trésorerie engendré

par un investissement à la clôture d’une période. C’est sur le concept du cash-flow que repose essentiellement la mesure de la VAN et du TIR.

n�� .��µ � P�~�� : N�� Les résultats des calculs sont donnés dans le tableau suivant :

Année Rn [Ar] A [Ar] Fp [Ar] (1+i)^-p Valeur actualisée de

136

revenus [Ar]

1 362586.528 8440104.6 8802691.13 0.909090909 8 002 446.48 2 369838.259 8440104.6 8809942.86 0.826446281 7 280 944.51 3 377235.024 8440104.6 8817339.62 0.751314801 6 624 597.76 4 384779.724 8440104.6 8824884.32 0.683013455 6 027 514.74 5 392475.319 8440104.6 8832579.92 0.620921323 5 484 337.21 6 400324.825 8440104.6 8840429.43 0.56447393 4 990 191.94 7 408331.322 8440104.6 8848435.92 0.513158118 4 540 646.73 8 416497.948 8440104.6 8856602.55 0.46650738 4 131 670.45

²�1 : i�^� p

4 7082 349.8

VAN 4 881 826.82

La VAN= 4 881 826.82 Ar est positive. Alors nous pouvons réaliser le projet car

il est rentable. 2.3) Le taux d’interne de rentabilité (TIR) Le taux interne de rentabilité correspond au taux d’actualisation qui rend nulle la

valeur actuelle nette. Soit X=TRI ; X tel que :

·¸/ ² 19´

9¹' �1 : ¸�³9 � 0º

Le TRI est obtenu soit en résolvant cette équation soit en variant le taux d’actualisation jusqu’à ce que la VAN soit nulle.

Pour i=10%, VAN = 4 881 826.82 Pour i=14%, VAN = -1 267 532.69 En constatant ces valeurs, notre TIR se trouve entre 10% et 14%. Après

interpolation, on trouve : »©¼ � �I, �% 2.4) Délai de récupération du capital investi (DRCI) Le DRCI consiste à déterminer le temps de récupération de la somme investie

I=42 200 523 ar. En accumulant les cash-flows de la première année jusqu’à la huitième, on trouve que le DRCI est compris entre la quatrième et la cinquième année.

Année Cash-flow Cash-flow cumulés

1 8802691.13 8802691.13

2 8809942.86 17612634

3 8817339.62 26429973.6

137

4 8824884.32 35254857.9

5 8832579.92 44087437.9

6 8840429.43 52927867.3

7 8848435.92 61776303.2

8 8856602.55 70632905.7

Après interpolation, on trouve : �¼¾© � H, �� ¿ÀÁ

Ou bien DRCI = 4 ans et 9 mois et 14 jours.

Même si le résultat des calculs montre que l’utilisation d’un tel système est

rentable, l’analyse nous a permis de confirmer que l’installation n’est pas efficace même au bout de huit ans si aux alentours de l’endroit il y a un réseau de basse tension du JIRAMA. Par contre, si la zone est encore isolée en électricité (comme dans notre cas la source de l’électricité est encore à 25km du site) l’exploitation de cette hydrolienne réversible est parmi le meilleur.

138

CHAPITRE 2 IMPACT ENVIRONEMENTAL

L'impact environnemental désigne l'ensemble des modifications qualitatives, quantitatives et fonctionnelles de l'environnement (négatives ou positives) engendrées par un projet, un processus, un procédé, un ou des organismes et un ou des produits. L'étude de l'impact environnemental est suivant la norme ISO 14001 afin d’analyser les avantages et inconvénients au niveau environnemental d’un projet industriel quelconque.

1) Contexte général La prise de conscience dans les années 1970 de la nécessité de limiter les

dommages s’est concrétisée par des lois obligeant à réduire les pollutions et à atténuer les impacts des grands projets. Pour ce faire l’étude, des « Etudes d’impact environnemental » ou EIE sont devenues obligatoires préalablement à la réalisation d’aménagements ou d’ouvrages.

Comme l’Etat malagasy s’est engagé dans la protection de l’environnement,

grâce à la Charte de l’Environnement de la loi n°09 9.033-99.012-2004.015 et le décret MECIE, suivant l’article 4, décret n° 99-954 du 15 décembre 1999 modifié par le décret 2004-167 du 03 février 2004 mentionnant la mise en comptabilité des investissements avec l’environnement ou MECIE, tous projets doivent faire des EIE, ce qui est le cas de notre projet ici.

1.1) Environnement du site d’implantation : La mise place d’une hydrolienne pivotante dans une embouchure commandée

automatiquement suivant la direction et le sens d’écoulement du courant marin a pour objectifs :

• d’utiliser l’énergie renouvelable, • de transformer l’énergie cinétique apportée par le courant marin en énergie

électrique, • d’électrifier une zone isolée aux alentours d’une embouchure, • d’éviter la pollution de l’atmosphère par les déchets issus de combustion

(CO2) ou des déchets radioactifs et • de diminuer le coût de l’électricité

2) Impacts environnementaux

Malgré notre bonne volonté, l’amélioration ou la modification d’un projet

engendre des cotés positifs et négatifs sur l’environnement. Par contre, on peut améliorer ses impacts négatifs en proposant de meilleures solutions.

2.1) Impacts positifs Les avantages de l’utilisation des hydroliennes sont les suivants :

139

• les hydroliennes sont beaucoup plus petites que les éoliennes pour une même puissance, cela est dû à la masse volumique de l’eau qui est environ 800 fois supérieure à celle de l’air.

• les courants marins sont prévisibles. On peut donc estimer avec précision la production d’électricité.

• les potentiels des courants marins sont très importants. • de nouveaux modèles d’hydroliennes semi-immergés peuvent être adaptés

aux rivières sans avoir les impacts écologiques des turbines classiques dont les pêcheurs craignent qu’elles aient des impacts sous-estimés sur les poissons.

• le coût d’investissement de la réalisation est bien moins que les turbines classiques.

2.2) Impacts négatifs Les inconvénients de l’utilisation des hydrolienne sont les suivants :

• Pour éviter le développement des algues et organismes marins encroutant sur l’hydrolienne, il faut utiliser un produit toxique pour la faune et la flore marine, appelé « antifouling ». Cette action doit se faire régulièrement.

• Dans les eaux turbides, du fait de la présence des sables en suspension, l’érosion des pâles d’hélice ou des pièces mobiles par le sable est très forte. Ainsi, l’entretien doit être fréquent. Cette opération doit s’effectuer hors de l’eau.

• Les hydroliennes créent des zones de turbulence, qui modifient la sédimentation et le courant, avec de possibles effets sur la faune et la flore juste en aval de leur positionnement. « Cet aspect sont analysés par les études d’impacts » [http://etudesimpact.assemblee-nationale.fr/].

• Des poissons pourraient heurter les hélices à une vitesse de rotation faible. Toutefois, la première étude a démontré clairement la sécurité du procédé. Selon ces résultats, seulement un poisson sur 402 aurait montré des signes de blessure.

3) Mesure d’atténuation pour les impacts négatifs Vu que notre système présente quelques nuisances environnementales, il nous

faut prendre des mesures pour minimiser ces inconvénients. • Pour l’antifouling : c’est une peinture dite « antisalissure » contenant des

biocides destinées à empêcher les organismes aquatiques de se fixer sur les coques des navires ou d’autres objets immergés. La conférence de Rio de 1997 chapitre 7 appelait les Etats à prendre réduire la pollution causées par la composition organo stanniques des antifoulings.

• Pour les zones de turbulence créent par les hydroliennes : si l’hydrolienne fonctionne 24 sur 24 dans une position fixe, une partie ou zone de l’eau

140

devient morte, avec de possibles effets sur la flore et faune juste en aval de leur positionnement. Donc, pour remédier ces inconvénients, nous orientons l’hydrolienne de part et d’autre au minimum tous les six heures suivant le sens d’écoulement de l’eau.

• Pour les poissons qui heurtent l’hélice : nous avons défini auparavant que l’hydrolienne que nous utiliserons ne produit que 5 kilowatts en puissance, donc le générateur ou l’alternateur est de faible dimension. Cependant, la vitesse de rotation de l’hélice est faible et si on observe l’hélice de l’hydrolienne, il ne possède que trois pâles décalée entre eux de 120°. Du coup, la probabilité que les poissons heurtent l’hélice est très faible.

141

CONCLUSION GENERALE

L’hydrolienne est un générateur électrique qui exploite l’énergie renouvelable des courants marins. C’est une machine immergée généralement dans la mer et rarement dans une rivière, où les turbines sont généralement implantées. Ce mémoire est consacré à l’adaptation de l’hydrolienne Smart-hydro conçue à fonctionner dans des rivières et est non réversible pour une embouchure.

D’après nos analyses, nous confirmons que l’hydrolienne est exploitable dans

l’embouchure d’Antsanitia avec un rendement élevé. Pour cela, un dispositif de pivotement mécanique pour orienter l’hydrolienne dans le sens d’écoulement a été développé. Le dispositif est entrainé par un moteur électrique avec un arbre de transmission télescopique.

L’intervalle de temps entre un jusant et flot dure environ 6 heures, le système

comprend un capteur de position pour détecter le sens d’écoulement. Le moteur est alimenté par un accumulateur de charge à courant continu et asservi par des interrupteurs à contact.

Le potentiel en énergie des courants marins est élevé compte tenu du nombre d’embouchures. La rentabilité de l’hydrolienne ne se pose plus du fait du niveau de besoin en énergie électrique des villages en zone côtière et qui ne seront pas raccordés au réseau public dans le moyen terme. L’hydrolienne permet de réduire le taux de pauvreté actuel de 80%. Par ailleurs, une puissance supérieure de 5kW est possible en associant plusieurs hydroliennes Smart-hydro. Enfin, l’hydrolienne a très peu d’impact sur l’environnement, du fait même de son mode d’opération, sans ouvrage de génie civil. La faune marine est totalement préservée. Cette étude est une base pour une réalisation en grandeur nature, et susceptible d’être améliorée à travers les retombées techniques et économiques des futures implantations.

BIBLIOGRAPHIE

[1] : « Projet ADEM 1 : les hydroliennes », Centrale Paris et EDF, Mai 2005.

[2] : « ENCYCLOP2DIE DES SCIENCES INDUSTRIELLES QUILLET/ Mécanique/

Généralités – Applications »/ Librairie Aristide Quillet – Paris -1974

[3] : « Memento /dessin technique norme CAO » ,C.Hazard /Collection A.Capaliez 2005

[4] : « Moteurs pas à pas », Bernard MULTON, notes de cours Agrégation Génie Électrique /

Ecole Normale Supérieure de Cachan, février 2006

[5] : « Divers aspects de l’exploitation de l’énergie des courants marées», J.F Daviau/ Brest/

20-21 octobre 2004.

[6] : « Dynamique des systèmes de solides », Sylvie Pommier / 2005-2006.

[7] : « Modélisation et commande d’une hydrolienne équipée d’une génératrice asynchrone

double alimentation », Ben Elghali/ Univérsité de Brest/ 16-17 décembre 2008.

[8] : « Résumé de mécanique des fluide », 4e édition/ Patrick Hoffman.

[9] : « Mécanique des fluides »/ Pr Henry BROCH/ Université Nice Sophia Antipolis.

[10] : « Eléments de machine/ Transmission mécanique »/ George Dobre / 2006.

[11] : « Mesure marégraphique », Guide technique de SHOM/ V 2.0 du 29/10/2002.

[12] : « Moteur pas à pas »/ Bernard Multon/ Ecole normale supérieure de Cachan, février

2006.

WEBOGRAPHIE

[1] : www.smart-hydro.de

[2] : www.skf.com

[3] : www.123roulement.com/roulement-51102-SKF.html

[4] : www.flender.com

[5] : www.ironwood-distribution.com

[6] : www.zorldofrobot.fr

[7] : french.alibaba.com

[8] : www.deltatechnique.com

[9] : www.kent-marine.com

[10] : www.ebmarchand.com

[11] : www.directyindustry.fr

[12] : pdf.directindustry.fr

[13] : www.cotation-export.com

[14] : www.douanes.gov.mg

LISTE DES FIGURES

Figure 1 : Une turbine à axe horizontale MCT………………………………………………………………………………………….…………3

Figure 2 : Une ferme d’hydrolienne à axe horizontale AS ………………………………………………………….………………………4

Figure 3 : Une hydrolienne à axe verticale…………………………………………………………………………………….…………………..5

Figure 4 : Structure d’ hydroplane……………………………………………………………………………………………….……………………6

Figure 5: Photo de l’hydrolienne de SMART-HYDRO………………………………………………………………….………………………9

Figure 6: Schéma de l’installation de l’ensemble …………………………………………………………………..…………………..……10

Figure 7 : Carte de Mahajanga incluant l’emplacement d’Antsanitia…………………………………………..…..………………12

Figure 8 : Vue satellite du lieu d’implantation avec ses coordonnées exact …………………………………..…….…..……..12

Figure 9 : Courbe des pluies à Mahajanga durant l’année 2009-2010………………………………….………..……..………..14

Figure10 : Courbe des températures maximales à Mahajanga durant l’année 2009-2010………………..……....…..14

Figure 11 : Courbe des températures minimales à Mahajanga durant l’année 2009-2010………………………………15

Figure 12 : Courbe de la moyenne des vents…………………………………………………………………………………………………….15

Figure 13 : Courbe des vents maximaux durant l’année 2009-2010………………………………………………………………..16

Figure 14: Structure porteuse coudée………………………………………………..............................................................22

Figure 15 : Structure porteuse à trépied…………………………………………………………………………………………………………..23

Figure 16 : Structure porteuse à quatre poutres verticales……………………………………………………………………………….23

Figure 17 : Mécanisme d’entrainement à moteur direct…………………………………………………………..…………………....24

Figure 17a : Bilan des forces du mécanisme d’entrainement direct………………………………………………………………….24

Figure 18 : Mécanisme d’entrainement à moteur couché……………………………………………………………..………………..25

Figure 18a : Bilan des forces du mécanisme d’entrainement à moteur couché………………………..………………………25

Figure 19 : Modèle de mécanisme plus compliqué…………………………………………………………………………………………..26


commande……………………………………………………………………………………………………………………………………..………………27

Figure 21 : Système de commande par logiciel………………………………………………………………………………………………..27


commande……………………………………………………………………………………………………………………………………………………..28

Figure 23 : Système de commande par microcontrôleur…………………………………………………………………………………28


commande……………………………………………………………………………………………………………………………………………………..29

Figure 25 : Chaine cinématique du modèle retenu ………………………………………………………………………………………….31

Figure 26 : Vue de dessus du capteur immergé………………………………………………………………………………………….…….31

Figure 27 : Bilan des forces………………………………………………………………………………………………………………..…………...32

Figure 28 : Vue de dessus d’un ancrage plus stable………………………………………………………………………………….………34

Figure 29 : Dimension de la structure porteuse………………………………………………………………………………………..……..34

Figure 30: Dessin et nomenclature des barres qui constituent la structure porteuse………………………..……………..37

Figure 31 : Représentation de la barre 1 et les repères d’orientation…………………………………….…………………………37

Figure 32: Figure illustrant le phénomène de réaction…………………………………………………………………………….……….38

Figure 33 : Représentation des réactions des appuis au niveau des nœuds 1, 2, 3 et 4…………………………………….39

LISTE DES FIGURES

Figure 34 : Représentation de la poutre verticale 3 soumise à la charge F=1000N………………………………..………....39

Figure 35: Vu de dessus de l’ensemble des poutres verticales avec ses repères………………………………….……………40

Figure 36 : Représentation des formules de dimensionnement d’un boulon……………….…………………………..………41

Figure 37 : Boulon sollicité en cisaillement………………………………………………………………………….…………..……………...42

Figure 38 : Représentation de la contrainte axial dans les poutres horizontale de niveau deux à section S……...43

Figure 39 : Dimension des boulons utilisés ………………………………………………………………….…………………..…………....44

Figure 40: Ensemble de la structure porteuse en 3 dimensions………………………………………………………….…….………45

Figure 41 : Désignation des éléments constitutifs du système de pivotement…………………………………….…..……….45

Figure 42 : Bilan des forces……………………………………………………………………………………………………………………………..46

Figure 43 : Représentation des déformations de la griffe …………………………………………………………………………………47

Figure 44 : Modèle de griffe réduit en trois exemplaires…………………………………………………………..……………………..47

Figure 45 : Modification apportée sur les griffes pour réduire la déformation……………………………………………..….47

Figure 46 : Forme de la griffe finale…………………………………………………………………………………………………………….……47

Figure 47 : Les efforts et moment dans une griffe…………………………………………………………….………………………..…….48

Figure 48 : Présentation de la contrainte en flexion plane composée………………………………….……………………………49

Figure 49 : Les efforts dans la partie horizontale de la griffe………………………………………………….………………….……..51

Figure 50 : Forces dans les tubes de la griffe………………………………………………………………………….…………………….….53

Figure 51 : Forces sollicitant les raidisseurs………………………………………………………………………………………………….…..53

Figure 52 : Ensemble avec les forces………………………………………………………………………………………………………………..56

Figure 53 : représentation des contraintes dans les barres sollicitées en traction et compression

simultanément…………………………………………………………………………………………………………………………………………….…..56

Figure 54 : Désignation d’un moteur pas à pas……………………………………………………………………………………………..….57

Figure 54 a: Représentation du dessin d’ensemble de l’arbre de transmission……………………………………………..….59

Figure 55 : Représentation d’une bague d’un roulement et l’arbre principal …………………..................................61

Figure 55 b : Représentation d’une bague d’un roulement et l’arbre principal ……………………………………………..…63

Figure 56: Dessin de l’arbre télescopique…………………………………………………………………………………………………………63

Figure 57 : Dimensions de la rainure…………………………………………………………………………………………..…………………..65

Figure 58 : Schéma fonctionnel de l’arbre télescopique………………………………………………………………..…………………66

Figure 59 : Guidage de l’arbre télescopique……………………………………………………………………………………………..……..67

Figure 60: Système d’arrêt de course. …………………………………………………………………………………………..……………….67

Figure 61: Représentation de la vis à téton cisaillé ……………………………………………………………………..…………………..68

Figure 62 : Norme de la tige d’une vis à téton …………………………………………………………………………………..…….……..69

Figure 63: Protection de l’arbre télescopique contre les agents atmosphériques……………………………………..……..69

Figure 64 : Schéma fonctionnel du pivot…………………………………………………………………………………………………..…….70

Figure 65: Principe de montage des roulements ………………………………………………………………………………..…………..71

Figure 65 a : Formes des roulements existant dans la construction mécanique………………………………………..…….72

Figure 66 : Représentation du couvercle de protection…………………………………………………………………………..………74

Figure 67 : Décomposition d’une charge F en composantes axiale Fa et radiale Fr………………………………………….74

LISTE DES FIGURES

Figure 68 : Représentation de l’axe du pivot…………………………………………………………………………………………………..77

Figure 69 : Dimension de la vis sans fin de taille 63……………………………………………………………………………….….…….81

Figure 70 : Différents montage possible de la vis sans fin………………………………………………………………………..………82

Figure 71 : Système de transmission par courroie…………………………………………………………………………………………..82

Figure 72 : Photo d’une courroie crantée…………………………………………………………………………………………..…………..84

Figure 73 : Schéma de disposition du système de commande…………………………………………………………..……………..86

Figure 74 : Entrainement de la vis sans fin en mode manuel………………………………………………………………….…………87

Figure 75 : Interface graphique du logiciel « Proteus 7 professional »………………………………………………………..…..88

Figure 76: Notre modèle de commande sous Proteus 7 profesionnal……………………………………………………….…….88

Figure 77 : Représentation du système de balaie d’arrêt…………………………………………………………………………..…….90

Figure 78: La tension aux bornes du moteur électrique durant l’entrainement de l’hydrolienne………………….….91

Figure 79. Capteur de position SP-72GL140………………………………………………………………………………………………….….92

Figure 80: Logiciel de calcul de couple d’un moteur à courant continu…………………………………………………………….92

Figure 81 : Photo du moteur retenu………………………………………………………………………………………………………………...93

Figure 82: Photo d’un parafoudre……………………………………………………………………………………………………………..……..94

Figure 83 : Photo d’un disjoncteur magnétothermique…………………………………………………………………………………..95

Figure 84 : Photo d’une protection différentielle……………………………………………………………………………………………..95

Figure 85: Photo d’un interrupteur fusible………………………………………………………………………………………………….……95

Figure 86 : Coubre de production d’énergie durant 24 heures……………………………………………………………….…………96

Figure 87: Photo du modèle réduit…………………………………………………………………………………………………………………122

Figure 89 : Coubre de production d’énergie durant 24 heures……………………………………………………………………....133

LISTE DES FIGURES

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1 : Fiche technique de l’hydrolienne MCT …………………………………………………………………………………….………4

Tableau 2 : Fiche technique de l’hydrolienne AS………………………………………………………………………………………..……….5

Tableau 3 : Fiche technique de l’hydrolienne à axe verticale ……………………………………………………………….…………….6

Tableau 4 : Fiche technique d’une hydroplane………………………………………………………………………………….……………….7

Tableau 5: Tableau des spécifications techniques de l’hydrolienne Smart-hydro……………………………….……………..9

Tableau 6 : Valeurs minimales pour obtenir la puissance 5kW………………………………………………………….……………..11

Tableau 8: Tableau climatologie de Mahajanga en 2009-2010 (pluie et températures) ……………………….………….13

Tableau 9 : Renseignements climatologiques de Mahajanga (moyenne de vent, direction du vent, vitesse des

vents maximales)…………………………………………………………………………………………………………………………………………….13

Tableau 10: Test de jusant……………………………………………………………………………………………………………………….………17

Tableau 11 : Test de flot………………………………………………………………………………………………………………………………….18

Tableau 12 : Listes des matériaux pour l’ancrage…………………………………………………………………………………….………22

Tableau 13 : Forme de l’ancrage……………………………………………………………………………………………………….…………….22

Tableau 12 a : Comparaison des structures porteuse proposée………………………………………………………………………..30

Tableau 13 a: Comparaison du mécanisme de transmission proposé…………………………………………………….………..30

Tableau 14 : Liste des profilés utilisés dans le logiciel « FREELEM »…………………………………………………………..…….36

Tableau 15: Résultats du déplacement du nœud 13 de la structure sous l’effet de la charge……………………..……36

Tableau 16: Résultats des efforts dans les barres. …………………………………………………………………………………..………36

Tableau 17: Contraintes résidus dans les barres……………………………………………………………………………………….………37

Tableau 18 : les valeurs des réactions aux appuis au niveau des nœuds 1, 2, 3 et 4…………………………………….…..38

Tableau 19: Tableau des résultats des efforts dans chaque poutre verticale……………………………………………….…..39

Tableau 20: Les résultats des contraintes résiduelles dans chaque barre……………………………………………………..….40

Tableau 21: Les réactions des appuis au niveau des nœuds pour l’ensemble des poutres verticales……………..…41

Tableau 22 : Distance d’emplacement des barres transversales par rapport au centre de rotation…………..……..58

Tableau 23 : Plage des forces agissantes sur le pivot………………………………………………………………………………………..72

Tableau 24 : Dimension normalisée roulements à bille, simple effet ……………………………………………………………….75

Tableau 25: Dimension normalisée des roulements à rouleaux coniques…………………………………………………….…..76

Tableau 26 : Valeur des facteurs de caractéristique…………………………………………………………………………………………80

Tableau 27 : Fiche technique du moteur d’entrainement du modèle……………………………………………………………….93

Tableau 27 a: gamme d’usinage de l’ancrage………………………………………………………………………………………………….97

Tableau 28 : gamme d’usinage de la structure porteuse…………………………………………………………………………….….101

Tableau 29 : Prix d’usine de l’hydrolienne………………………………………………………………………………………………….…..124

Tableau 30: Coût du frais de transport maritime …………………………………………………………………………………………..125

Tableau 31 : Frais de douane Tamatave……………………………………………………………………………………………….………..125

Tableau 32 : Distance total à parcourir……………………………………………………………………………………………………………126

Tableau 33 : Le poids du produit à transporter………………………………………………………………………………………..……..126

Tableau 34 : Le coût du gasoil en fonction de la consommation du camion durant le trajet complet …………….126

Tableau 35 : Le coût de location du véhicule de transport. ……………………………………………………………………………127

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 36 : Le coût d’installation (Le coût des mains d’œuvre)…………………………………………………………………….127

Tableau 37 : Le coût total du projet sans pivot………………………………………………………………………………..……………..127

Tableaux 38 et 39 : Le coût du transport terrestre (modèle avec pivot)…………………………………………….……………128

Tableau 40 : Le coût total du transport terrestre…………………………………………………………………………………………….129

Tableau 41 : Le coût de réalisation et installation de l’hydrolienne avec pivot (MO : Main d’œuvre)……………..129

Tableau 42 : Bordereau de détail estimatif (BDE)…………………………………………………………………………………….……..132

Tableau 43 : Valeur des puissances développées par l’hydrolienne………………………………………………………………..134

ANNEXES

I

ANNEXE DES PROFILES

• Profilé IPE 080

Source : Catalogue « freelem »

ANNEXES

II

• Profilé L80x80x8


ANNEXES

III

• Profilé L45x45x4,5


ANNEXES

IV

ANNEXE VIS SANS FIN

Tableau 26 : Valeur des facteurs de caractéristique


ANNEXES

V

ANNEXE DES ROULEMENTS Dimension normalisée roulements à bille, simple effet


ANNEXES

VI

Dimension normalisée des roulements à rouleaux coniques


Nom : RAJOELISOLO

Prénom : Miandrisoa

Adresse : Lot II M 56 Ankadivato Antananarivo 101

Tél : 034 84 990 81

E-mail : [email protected]

TITRE :

CONCEPTION D’UN SYSTÈME DE PIVOTEMENT AUTOMATIQUE POUR UNE

HYDROLIENNE NON REVERSIBLE

Nombre de pages : 141

Nombre de tableaux : 43

Nombre de figures : 89

RESUME :

L’objectif de ce mémoire est d’électrifier une zone isolée du réseau de JIRAMA. Cette

zone se situe à Majunga, plus précisément à Antsanitia. Afin d’électrifier le site, nous utiliserons

l’hydrolienne de SMART-HYDRO qui est un générateur à hélice immergé complètement sous

l’eau en écoulement et est capable de produire de l’énergie d’une puissance allant jusqu’à

5kW. Le site est tout près d’une embouchure où notre machine pourra produire de l’énergie

mais le principal problème est que le rendement sera réduit de moitié, ceci en prenant en

compte les phénomènes de jusant et de flot. L’apport de ce mémoire est donc de mettre au

point un pivot mécanique stable capable d’orienter l’hydrolienne automatiquement en fonction

du sens d’écoulement de l’eau.

Mots clés : Hydrolienne, Embouchure, Pivot, Jusant, Flot.

Rapporteur : Monsieur RASOLDIER Olivier

Documents

CONCEPTION D’UN SYSTEME DE PIVOTEMENT AUTOMATIQUE …biblio.univ-antananarivo.mg/pdfs/... · élément de transmission à engrenages permet de réaliser le pivotement de l’hydrolienne