Etude et développement d’un groupe hydraulique pour …eprints2.insa-strasbourg.fr/788/1/MIQ5_-_2011_-_MARMILLOD... · A l’ensemble du personnel de l’usine LIEBHERR de Colmar

Etude et développement d’un groupe hydraulique

pour le déplacement des châssis de pelles

MARMILLOD Matthieu

Mécatronique

Tuteur en entreprise

WOLF Mathieu

Tuteur INSA

POLI Sébastien

INSA de Strasbourg

Projet de fin d’étude – Septembre 2010-Mars 2011

LIEBHERR FRANCE SAS

29 rue Frédéric Hartmann

68005 Colmar

www.liebherr.com

www.liebherr.com

Matthieu MARMILLOD 2

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Projet de fin d’étude Groupe hydraulique pour le déplacement des châssis


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Mots clés : Conception, Outillage, Groupe hydraulique, Châssis de pelle hydraulique

Condensé

La société LIEBHERR France SAS, est spécialisée dans le développement et la production de pelles hydrauliques sur chenilles. Les produits conçus par LIEBHERR peuvent être destinés au secteur du terrassement ou au secteur du Mining.

Les opérations de remplacement des couronnes de giration des pelles Mining, liaison mécanique entre la tourelle et le châssis, nécessitent le développement d’outillages très spécifiques garantissant la sécurité de l’opération et des personnes. Mon projet consistait en l’étude et le développement d’un groupe hydraulique pour le déplacement des châssis des pelles minières.

Cette opération était préalablement effectuée à l’aide d’un bouteur, qui poussait le châssis hors de la zone de levage de la tourelle. L’outillage doit permettre l’amélioration de la sécurité, de la qualité de l’opération, ainsi que la réduction des temps d’arrêt. Cette centrale hydraulique sera constituée d’un groupe motopompe et permettra d’entrainer les moteurs hydrauliques du châssis.

Le pilotage du déplacement sera effectué à l’aide d’une télécommande permettant un contrôle à distance de l’outillage.

Key words: Design, Tool, Hydraulic power unit, Excavators undercarriage

Summary

The company LIEBHERR France SAS is specialized in the design and the production of tracked excavators. The products manufactured by LIEBHERR can be used in the Land terracing division or in the Mining division.

The changing operations of the Mining excavators’ slew ring, which is the mechanical link between the uppercarriage and the undercarriage, requires the development of specific tools ensuring the security of the operation and of the persons. My project consisted in the study and the development of an hydraulic power unit for the displacement of the undercarriage of Mining excavators.

This operation was previously made with a bulldozer, which was pushing the undercarriage away from the uppercarriage. The aim of this tool is to increase the security, the quality of the intervention, and reduce the down time of the machine. The hydraulic power unit will be composed of a motor pump unit and will deliver the needed power to the travel engines of the undercarriage.

A remote control allows the operator to monitor at distance the hydraulic power unit.

Rapport de stage de fin d’étude – Mars 2011 MARMILLOD Matthieu

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Remerciements

Je tiens à remercier l’ensemble du personnel de la société LIEBHERR France de Colmar pour m’avoir accueilli et permis d’effectuer mon stage de fin d’étude dans les meilleures conditions.

Je remercie tout particulièrement

Monsieur Oliver Weiss, responsable du bureau d’études Mining pour son accueil au sein de ce département.

Monsieur Mathieu Wolf, chef du service outillage, pour m’avoir permis d’intégrer son équipe, pour sa disponibilité et pour m’avoir fait profiter de son expérience et de ses conseils tout au long du stage. La confiance de ce dernier m’a permis de me sentir complètement impliqué dans les projets du bureau d’études. Ce stage a été très enrichissant dans mon apprentissage au métier d’ingénieur.

Gilles Adrian et Cédric Forestier membres du service outillage, pour leur soutien et leurs conseils au quotidien, ainsi que pour la bonne humeur qu’ils apportaient.

Je tiens également à adresser toute ma reconnaissance :

Au personnel du bureau d’études pour mon intégration dans le groupe, pour son appui dans mon travail et ses conseils.

A l’ensemble du personnel de l’usine LIEBHERR de Colmar pour son accueil chaleureux.

A Monsieur Sébastien POLI, professeur de mécanique de l’INSA de Strasbourg et tuteur de mon projet de fin d’étude.

A Monsieur Frank PÖHLER, professeur à la Fachhochschule de Karlsruhe également tuteur lors de ce projet.


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Sommaire

I. Introduction ______________________________________________________________ 7

II. Présentation de la société LIEBHERR _________________________________________ 8

A. Historique du groupe LIEBHERR ________________________________________________ 8

B. LIEBHERR, un groupe mondial _________________________________________________ 8 1. Implantation dans le monde ______________________________________________________________ 9 2. Domaines d’activités ___________________________________________________________________ 9 3. Chiffres clés _________________________________________________________________________ 10

C. LIEBHERR France SAS _______________________________________________________ 11 1. Le site de Colmar_____________________________________________________________________ 11 2. Produits Liebherr Mining ______________________________________________________________ 12 3. Constitution d’une pelle hydraulique sur chenilles ___________________________________________ 13 4. La concurrence ______________________________________________________________________ 14 5. Les clients __________________________________________________________________________ 15

D. Bureau d’étude Mining ________________________________________________________ 15

E. Bureau d’étude Outillage Mining (BEO) __________________________________________ 15

III. Outillages pour le remplacement de la couronne de giration ______________________ 17

A. Problématique _______________________________________________________________ 17

B. Jacking sytem ________________________________________________________________ 17

IV. Dispositif de translation des godets ___________________________________________ 19

A. Présentation _________________________________________________________________ 19

B. Dimensionnement _____________________________________________________________ 19 1. Structure mécano-soudée _______________________________________________________________ 19 2. Translation __________________________________________________________________________ 20 3. Bilan ______________________________________________________________________________ 21

V. Groupe hydraulique pour le déplacement des châssis ____________________________ 22

A. Présentation _________________________________________________________________ 22

B. Etude des châssis de pelle minière _______________________________________________ 23 1. L’ensemble moteur-réducteur de la partie translation _________________________________________ 23 2. Joint tournant ________________________________________________________________________ 24 3. Frein à lamelles (4) ___________________________________________________________________ 24 4. La tension des chenilles ________________________________________________________________ 24 5. Bilan ______________________________________________________________________________ 24

C. Analyse fonctionnelle et dimensionnement ________________________________________ 25 1. Analyse de l’existant __________________________________________________________________ 25 2. Enoncé fonctionnel du besoin ___________________________________________________________ 25 3. Dimensionnement ____________________________________________________________________ 26

a) Critères de dimensionnement du groupe ________________________________________________ 26 b) Principe de calcul __________________________________________________________________ 26

4. Récapitulatif ________________________________________________________________________ 28 5. Analyse des mesures de pressions sur les moteurs de translation ________________________________ 29 6. Bilan ______________________________________________________________________________ 30


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D. Cahier des charges fonctionnel (CDCF) __________________________________________ 30

E. Choix des composants _________________________________________________________ 31 1. Pompe _____________________________________________________________________________ 31 2. Moteur _____________________________________________________________________________ 31 3. Refroidissement ______________________________________________________________________ 31

F. Principe de fonctionnement _____________________________________________________ 32 1. Schéma hydraulique de principe _________________________________________________________ 32 2. Principe ____________________________________________________________________________ 32 3. Principe de raccordement du groupe ______________________________________________________ 33 4. Diamètres des flexibles et types de raccord _________________________________________________ 34

G. Conception du groupe –Modélisation CAO ________________________________________ 34 1. Le châssis __________________________________________________________________________ 35

a) Réservoir hydraulique ______________________________________________________________ 35 b) Réservoir gasoil ___________________________________________________________________ 35

2. Le power pack _______________________________________________________________________ 36 3. La structure supérieure ________________________________________________________________ 36 4. Groupe hydraulique ___________________________________________________________________ 37

H. Etude économique ____________________________________________________________ 38

VI. Groupe électrique _________________________________________________________ 39

A. Présentation _________________________________________________________________ 39

B. Dimensionnement _____________________________________________________________ 39

C. Cahier des charges ____________________________________________________________ 40 1. Graphe des interacteurs ________________________________________________________________ 40 2. Cahier des charges fonctionnel (CDCF) ___________________________________________________ 40

D. Caractéristiques hydrauliques et principe _________________________________________ 42 1. Schéma hydraulique __________________________________________________________________ 42 2. Principe ____________________________________________________________________________ 42

E. Proposition __________________________________________________________________ 43

F. Etude économique ____________________________________________________________ 43

VII. Comparaisons des deux solutions : _________________________________________ 44 1. Durée d’intervention __________________________________________________________________ 44 2. En conclusion _______________________________________________________________________ 44

VIII. Conclusion technique _________________________________________________ 45

IX. Conclusion personnelle ____________________________________________________ 46


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I. Introduction

Dans le cadre de ma dernière année à l’INSA de Strasbourg, j’ai effectué un stage de 6 mois au sein du Bureau d’Etudes Outillage Mining, de la société LIEBHERR FRANCE SAS, à Colmar dans le Haut-Rhin (68).

LIEBHERR est un groupe international spécialisé dans le développement et la production d’engins de travaux publics et miniers. Le site de Colmar conçoit et produit l’ensemble des pelles hydrauliques sur chenilles de la gamme LIEBHERR, divisée en deux secteurs : Terrassement et Mining.

Le matériel produit par la société LIEBHERR jouit d’une excellente réputation. Mais, depuis quelques années, la concurrence dans ce domaine se fait rude. Dans l’optique de rester toujours aux premières places du marché, LIEBHERR ne cesse d’améliorer ses engins afin de leurs donner une qualité, une fiabilité et un fonctionnement irréprochables. La société LIEBHERR est également très reconnue pour la qualité de son service après vente et pour ses outillages.

Le sujet de mon stage de fin d’étude a été le développement d’un outillage pour le déplacement des châssis des pelles Mining (voir constitution d’une pelle). Ce groupe hydraulique vient compléter la gamme d’outillage proposée pour les opérations de maintenance sur la couronne de giration et permet un déplacement maitrisé et en toute sécurité du châssis.

Mon stage a consisté en l’étude complète et au développement de ce groupe hydraulique : de la rédaction du cahier des charges à la conception de l’outillage (modèle 3D).

Ce rapport synthétise les objectifs du stage, les outils et les démarches adoptés afin de mener à bien mon projet, ainsi que les résultats obtenus.

Après une présentation de la société, je présenterai mon travail en deux parties, au sein de l’entreprise. La première partie sera consacrée au dimensionnement du dispositif pour la translation des godets. Je développerai ensuite la démarche suivie pour la conception du groupe hydraulique pour le déplacement des châssis. Cette partie fait appel à une analyse du besoin, à une étude des différents organes hydrauliques constituant le châssis d’une pelle, au dimensionnement de l’outillage et à sa conception.


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II. Présentation de la société LIEBHERR

A. Historique du groupe LIEBHERR

Le groupe LIEBHERR a pour origine une entreprise familiale allemande de construction, fondée en 1949 par Hans LIEBHERR.

Ce dernier était à la recherche d’une grue de bâtiment, bon marché et facile à monter, pour améliorer la technique des travaux de construction d’une Allemagne ravagée par la guerre. Faute de trouver la machine idéale, il passa lui-même aux actes et construisit en 1949 sa première grue à tour pour le bâtiment, à Kirchdorf en Allemagne. La grande réussite de la première grue à tour mobile, économique et facile à monter, a posé les bases du développement de l'entreprise.

Un an après, 110 collaborateurs réalisaient un chiffre d’affaires de 2,2 millions de DM (soit environ 1,1 millions d’Euro). Par la suite, la société se diversifia dans la construction de machines à tailler les engrenages, dans la production en série de pelles hydrauliques, dans la production en série de réfrigérateurs et dans la fabrication de machines destinées à l’élaboration et au transport du béton.

En 1958 fut créée la première usine à l’étranger, en Irlande. Elle constitua le point de départ de l’internationalisation du groupe qui ne cessa de se diversifier pour se lancer, en 1960, dans la production d’équipements pour l’aéronautique. Afin de compléter sa gamme de produits, une unité de fabrication de tombereaux gros gabarit fut rachetée en 1995 au Kansas (USA).

B. LIEBHERR, un groupe mondial

Aujourd’hui, LIEBHERR compte parmi les plus grands fabricants mondiaux d’engins de construction et s’est aussi fait un nom dans de nombreux autres domaines comme fournisseur de produits et de services de haute technologie et axés sur les besoins des utilisateurs. L’entreprise s’est développée pour devenir un groupe employant près de 26 000 personnes dans plus de 100 sociétés sur tous les continents.

Pour son organisation, le groupe mise sur la décentralisation et sur une structure claire composée d’unités autonomes. Chaque unité est chargée de l’étude, de la fabrication et de la distribution d’un produit spécifique. Cette approche lui permet d’être proche de ses clients et de réagir avec souplesse et rapidité aux signaux du marché et à la concurrence mondiale. Les sociétés de production et de distribution des différents segments de produits sont placées sous la direction opérationnelle de Sociétés Holding. Le Groupe est chapeauté par la société LIEBHERR-International AG, de Bulle en Suisse, dont tous les propriétaires sont des membres de la famille LIEBHERR. Cette entreprise familiale est dirigée conjointement par Isolde LIEBHERR et Willi LIEBHERR, enfants du fondateur de la société.

Figure 2 : Grue à tour 1949 Figure 3 : Pelle sur pneu 1953 Figure 1 : Dr Hans LIEBHERR


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1. Implantation dans le monde

Figure 4 : Implantation de la société LIEBHERR dans le monde

Une centaine de sociétés sont aujourd’hui recensées et réparties sur les cinq continents :

Europe : France, Allemagne, Suisse, Autriche, Espagne, Italie, Pays-Bas, Royaume-Uni, Russie

Amérique : Etats-Unis, Canada, Chili, Argentine, Brésil

Afrique : Ghana, République d’Afrique du Sud

Océanie : Australie

Asie : Japon, Chine, Indonésie, Thaïlande, Singapour, Hongkong et Arabie Saoudite

2. Domaines d’activités

Même si son secteur d’origine est le BTP, les activités du groupe LIEBHERR sont très variées. Ci-dessous, les différents domaines d’activités regroupés par métiers :

Machines de terrassement : 2 divisions, Terrassement & Mining. Fabrication de pelles hydrauliques, de bulldozers, de chargeuses sur pneus et chenilles, de tombereaux, de poseurs de canalisation, de tracteurs de soudage.

Domaine portuaire : Fabrication de grues de navires, de grues mobiles portuaires, de pelles à câbles, de grues-containers, de grues pour les plates-formes de forage pétrolier.

Grues à tour et techniques du béton : Fabrication de grues à tour, de centrales à béton et de bétonnières portées.

Machines-outils et installations industrielles : Fabrication de chaînes-transfert, de machines-outils et d’équipements aéronautiques.

Grues mobiles

Electroménager : Fabrication de réfrigérateurs, de congélateurs, de caves à vin et de glacières.

Aéronautique : Fabrication des systèmes de commande, des trains d’atterrissage, et des systèmes de climatisation pour l’aviation.

Le groupe LIEBHERR possède également des hôtels en Irlande, en Autriche et en Allemagne ainsi que des vignobles.


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Figure 5: Diaporama des activités dans le bâtiment et les travaux public

3. Chiffres clés

En 2009 le chiffre d’affaires du Groupe était de 6 961,0 Millions d’Euro. Au cours du premier semestre 2010, ce chiffre avait déjà augmenté de 4,6 % à 3.415,0 Mio. €. Cette progression est due exclusivement à l'essor de la division des engins de terrassement et des équipements pour le secteur minier, qui a réalisé une augmentation du chiffre d'affaires de 13,2 %

La répartition du CA par groupe de produits est représentée sur le diagramme suivant :

Figure 6 : Répartition du CA par groupe de produits

Fin 2009, 32091 personnes travaillaient pour le groupe LIEBHERR dans le monde. La majeure partie est cependant concentrée en Europe

Figure 7 : Répartition de l’effectif du groupe LIEBHERR par pays

26%

25%7%

10%

11%

3%12%

6%

Pelles, pelles à cables, bouteurs, chargeuses sur pneus, tomberauxGrues mobiles

Grues à tour, technique de malaxage

Grues de navire, grues offshores, grues mobiles portuairesElectroménager

Machines outils, systèmes de mécanisationAérospace, technologie des transports

46%

17%

10%

5%

11%

1%6% 5% Allemagne

Autriche

France

Suisse

Reste de l'europe

Afrique

Amérique

Asie, Océanie


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C. LIEBHERR France SAS

LIEBHERR est implanté en France depuis 1961 sur le site de Colmar, qui est aujourd’hui le siège social de LIEBHERR France. Il y a deux usines de production sur le sol Français :

L’Usine de Colmar: Fabrication des pelles hydrauliques sur chenilles. L’usine s’étend sur 32 ha dont 19 ha répartis entre les 9 halls du site et 10 ha consacrés au stockage. Autour de cette unité de production se sont greffées des succursales commerciales et le Service Après Vente

L’Usine de Toulouse : Fabrication de systèmes de commandes, de climatisations et de trains d’atterrissages pour l’aéronautique.

Outre les usines de Colmar et de Toulouse, des agences implantées à Tournan-en-Brie près de Paris, à Vitrolles près de Marseille, à Draguignan près de Bordeaux ainsi qu’à Bruguière près de Toulouse assurent la distribution et le service. Enfin, ce réseau est complété par quatorze concessionnaires en France et six dans les départements d’Outre-mer.

1. Le site de Colmar

L’importance du marché français des pelles hydrauliques et la situation frontalière de Colmar avec l’Allemagne et la Suisse, où sont implantées des « usines sœurs » ont incité le groupe à installer l’unité de production des pelles hydrauliques sur chenilles dans la zone industrielle Nord de Colmar.

L’usine LIEBHERR de Colmar produit toutes sortes de pelles hydrauliques sur chenilles. Ce vaste programme comprend également de nombreux équipements spéciaux pour des travaux particuliers (appelés pelles industries) tels que la démolition de bâtiments, la manutention de matériaux, les applications pontons (pelles disposées sur un bateau) ou tunnel. LIEBHERR conçoit et fabrique également des pelles hydrauliques sur mesure, suivant la demande du client.

Figure 9: Pelles de terrassement produites sur le site de Colmar

Environ 70% des machines sont exportées dans les pays du monde entier.

En 2006, la décision de construire une seconde usine a été prise parce que la capacité de production était devenue insuffisante face à la demande croissante dans le secteur minier et à l’augmentation parallèle de la demande en pelles de terrassement.

En 2008, suite à une longue réflexion, les travaux de construction du nouveau centre de recherche et de développement des pelles Mining, situé à 4 kilomètres du siège d’origine et à proximité immédiate de l’aérodrome de Colmar, ont commencé.

Figure 8 : Agences commerciales de LIEBHERR France


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Figure 10: Sites Mining et Terrassement (LFR) de Colmar

Après quatre années de développement et deux années de construction, l’inauguration officielle du technocentre Mining a eu lieu le 1er octobre 2010 en présence de la famille LIEBHERR, des directeurs, du personnel du nouveau site, ainsi que des personnalités politiques locales. Le lendemain, une journée porte ouverte, à laquelle j’ai pu participer, a été l’occasion pour les salariés de faire découvrir le nouveau site de production à leurs proches. Ce nouveau site, occupant plus de 17 hectares et employant environ 430 personnes, est maintenant totalement opérationnel.

2. Produits Liebherr Mining

LIEBHERR France SAS Mining Division produit exclusivement les pelles minières de la marque. Ces pelles d’un poids en ordre de marche allant de 110 à 810 tonnes pour la plus grosse, sont destinées principalement à une utilisation sur mines à ciel ouvert (mines d’or, de charbon, de cuivre…).

Figure 11: Exemple de mine à ciel ouvert (Russie)


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Ces pelles sont exportées à travers le monde en raison du faible nombre de mines à ciel ouvert en Europe; les principales destinations sont l’Inde, l’Afrique, la Chine et l’Australie.

Les pelles Mining travaillent en permanence avec des tombereaux qui permettent d’évacuer la terre extraite. Il faut entre 3 et 6 godets pour remplir un tombereau. La vitesse de translation étant très réduite (moins de 2 km/h), les pelles ne se déplacent que très peu. Elles ne sont ni déplacées en fin de service ni pour la maintenance. Pour compenser leurs coûts d’achat et de maintenance très élevés, les machines sont utilisées 23 heures par jour. L’heure restante est consacrée à la maintenance quotidienne. Leur durée de vie est fixée entre 50000 et 100000 heures. Comme pour tout matériel mécanique complexe, il existe plusieurs niveaux de maintenance préventive : la maintenance quotidienne et les maintenances calendaires.

En fonction de la taille des machines, la capacité de production se situe entre 200 et 250 pelles par an.

Voici la gamme des pelles minières LIEBHERR actuellement disponibles au catalogue :

Figure 12: Gamme des pelles minières

3. Constitution d’une pelle hydraulique sur chenilles

Les pelles hydrauliques sont constituées de trois sous-ensembles, qui se retrouvent aussi bien dans les engins de terrassement que dans les pelles Mining :

Châssis : ce sous-ensemble correspond à la partie basse de la pelle. Il regroupe notamment la structure mécano soudée et les trains de chenilles avec les moteurs hydrauliques de translation.

Tourelle : ce sous-ensemble regroupe la partie puissance, avec les moteurs diesels (appelés Power Pack), les pompes et les distributeurs hydrauliques. Il contient également le contrepoids, les réservoirs gasoil et hydraulique, la couronne de giration, ainsi que la cabine où l’on trouve la partie commande de la pelle.

Equipement : ce sous-ensemble est constitué du monobloc (ou flèche), du balancier et du godet. Il existe deux différentes versions d’équipement. L’équipement rétro permet de creuser et/ou d’attaquer le front de taille par le haut contrairement à un équipement chouleur, qui permet de ramasser et/ou d’attaquer le front de taille par le bas.


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Figure 13 : Constitution d'une pelle hydraulique sur chenille

4. La concurrence

La société LIEBHERR occupe le troisième rang mondial, au niveau de la production de pelles hydrauliques sur chenille, derrière KOMAT’SU (Japon) et CATERPILLAR (Etats-Unis). La concurrence est particulièrement rude avec les pays d’Asie qui bénéficient de coûts de main-d'œuvre moins élevés qu'en Europe.

La force de LIEBHERR face à la concurrence réside dans la spécificité de ses machines, notamment ses options et réalisations spéciales, conformes aux souhaits des clients. La plupart des pelles fabriquées à Colmar sont prévues pour une utilisation spécifique. Cette stratégie est moins présente chez les concurrents qui privilégient plutôt la fabrication en série.

De plus, la société LIEBHERR est reconnue pour proposer, au côté de la société CATERPILLAR, le matériel le plus résistant du marché. Ceci est d’autant plus vrai dans le domaine des pelles de carrières, où la société Caterpillar n’est pas présente. Les pelles LIEBHERR sont généralement utilisées sur les zones les plus rudes des mines du monde entier.

Dans le domaine des pelles minières, les principaux concurrents sont les sociétés BUCYRUS, HITACHI et KOMAT’SU.

Figure 14 : Principaux concurrents dans le domaine minier


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5. Les clients

Dans le domaine du Mining, les principaux clients de LIEBHERR sont :

BARRICK GOLD : Société aurifère canadienne, numéro un mondial de l’exploitation d’or en 2005. ERDENET MINING CORPORATION : Exploitant de la plus grande mine de cuivre de Mongolie. GOLD FIELDS LIMITED : Producteur d’or essentiellement implanté en Afrique et en Australie. NEWMONT : Important producteur d'or présent sur les 5 continents. THIESS : Principale société australienne spécialisée en engineering, génie civil et exploitation minière.

Figure 15: Principaux clients LIEBHERR dans le Mining

D. Bureau d’étude Mining

Le bureau d’études Mining est composé d’une soixantaine de personnes regroupées par section. Il y a 10 sections qui travaillent en parallèle afin d’améliorer les pelles existantes et de concevoir les futurs modèles. Les différentes sections sont les suivantes :

recherche et développement, suivi série, châssis, pelles ponton, hydraulique, électronique et électrique, équipements, outillage, documentation technique, service essais.

E. Bureau d’étude Outillage Mining (BEO)

J’ai effectué mon stage au sein du service «Outillage» du bureau d’études du site Mining. Cette section est constituée de trois personnes :

- Mathieu WOLF, chef du groupe et tuteur de mon stage

- Gilles ADRIAN, ingénieur conception

- Cédric FORESTIER, apprenti ingénieur par alternance à l’INSA

Le groupe outillage ou «Mining Tools» est chargé de prévoir et de concevoir des outillages nécessaires à la maintenance, au levage et à l’arrimage des pièces, ainsi qu’au transport de toute la gamme des pelles Mining. Il conçoit aussi des outillages destinés aux ateliers comme des bancs d’essai pour galet par exemple.

Les principales tâches du BEO sont :

La rédaction des cahiers des charges spécifiques à partir du cahier des charges général outillage Mining.

La réalisation et la gestion les dossiers de conception en intégrant le respect des normes et de la sécurité

Le suivi de la sous-traitance sur la base du cahier des charges: réalisation des PV de réception (provisoire et définitive).

Le suivi des études et/ou fabrication interne

La gestion des outillages existants: traçabilité, numéros de série,…


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Le groupe travaille en étroite collaboration avec tous les autres groupes du bureau d’études Mining, car il peut être amené à travailler sur n’importe quelle partie de la pelle.

Ces outillages seront ensuite produits par des fabricants extérieurs, puis utilisés par le service après-vente ou par des clients. Le Service Après Vente LIEBHERR (SAV), présent partout dans le monde, est en contact permanent avec le département outillage. C’est lui qui formule les demandes de nouveaux outillages et transmet les retours d’utilisation.

Voici un aperçu des outillages réalisés par le service. Ils sont facilement identifiables par leur couleur caractéristique rouge. Dans l’ordre apparaissent une plateforme de démontage de vérins, une pince à vérins, un banc de démontage de vérins, un outillage de démontage de pompe et une presse à décheniller.

Figure 16: Exemples d'outillages conçus par le service


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III. Outillages pour le remplacement de la couronne de giration

A. Problématique

La couronne de giration est la pièce mécanique permettant d’assurer la rotation de la tourelle par rapport au châssis.

Cette dernière subit des contraintes mécaniques très importantes dues aux mouvements de va et vient de la tourelle (flexion alternée au niveau des dents de la couronne). Ces sollicitations occasionnent de la fatigue et entrainent à terme des fissures ou des casses.

Figure 17: Fissure de la couronne

Le remplacement de la couronne de giration est une opération délicate. Pour accéder à cette pièce qui est l’interface mécanique entre la tourelle et le châssis les deux ensembles précédemment cités doivent être dissociés. Pour cela la tourelle est soulevée puis maintenue en position haute et le châssis doit être dégagé en translation.

B. Jacking sytem

Les pelles minières sont des machines de production fonctionnant 23h/24; les temps d’arrêts pour assurer la maintenance doivent être les plus faibles possibles. Pour réduire la durée de la maintenance (au préalable effectué avec des grues) et sécurisé le dispositif, un outillage de levage synchronisé de la tourelle a été développé par le département outillage de LIEBHERR France : le Jacking system.

Cet outillage permet d’effectuer l’opération de levage sans grues mobiles, sans démonter l’équipement et le contrepoids et en prenant en compte les critères de sécurité, de qualité et de fonctionnalité nécessaires au produit. Le principe de ce dispositif de levage des tourelles de pelle est défini sur la figure suivante :

Figure 18: Principe de levage du Jacking System

Colonne de levage avant

Plan de levage

Joint tournant

Outillage de reprise

Colonne de levage arrière


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La tourelle doit être orientée de 90° par rapport à la direction d’avance du châssis de façon à pouvoir translater ce dernier lorsque la tourelle est levée.

Quatre vérins de levage hydrauliques synchronisés réalisent le levage et la descente de la tourelle. Pour cela les vérins sont placés à l’avant et à l’arrière. Le plan de levage, en rouge sur la figure ci-dessus, doit être situé au dessus du sommet du joint tournant, de sorte à pouvoir dégager le châssis sans accrochage.

La course de levage et les efforts développés par les vérins doivent permettre de standardiser cet équipement à l’ensemble des pelles Mining. Les différences de hauteur entre la tourelle et le sol entre les différents modèles de la gamme sont compensées par des supports de vérins de différentes hauteurs.

Un système de blocage mécanique de la charge assure la sécurité de la manœuvre. Le pilotage du levage est effectué à l’aide d’une radiocommande permettant un contrôle à distance de l’outillage.

Figure 19:Vue globale du système de levage

L’outillage présenté sur les figures ci-dessus est en cours de fabrication et il sera testé au courant de l’année.

Pour compléter la gamme d’outillage et proposer un système complet pour le remplacement de la couronne de giration, l’étude d’un système pour le déplacement des châssis est nécessaire.

On constate, sur les figures de description, la présence d’un outillage supplémentaire permettant la translation des godets. Ce roller à godet est indispensable au fonctionnement global du dispositif.


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IV. Dispositif de translation des godets

Mon premier projet fut le dimensionnement du dispositif de translation des godets. Cette étude m’a permis de prendre en main les logiciels utilisés et de me familiariser avec les méthodes de travail du bureau d’étude.

Mon travail a consisté à dimensionner la structure, à la modéliser en 3D, à vérifier la tenue mécanique de l’outillage (par éléments finis et manuellement) et à la mise en plan des différents pièces et ensembles.

A. Présentation

Lors des opérations de levage, le vérin de flèche est désolidarisé de la tourelle de manière à accueillir l’outillage de reprise sur la face avant de la pelle. L’équipement est alors en équilibre sur deux appuis, qui correspondent à la tourelle et au système de translation. Lors du levage, l’équipement tourne autour de sa liaison pivot avec la tourelle, occasionnant une translation horizontale du godet par rapport au sol.

L’étude consiste à développer une structure permettant de supporter et de déplacer de fortes charges tout en limitant le coefficient de frottement entre ce dispositif et le sol. Nous limiterons ainsi les efforts tangentiels, qui sont repris par les vérins hydrauliques de levage, et éviterons tout risque de basculement de la tourelle.

B. Dimensionnement

La force statique maximale au point de contact entre le godet et le dispositif de translation est de 1,6.10^6N (165 tonnes). Ce critère servira de point de départ pour le dimensionnement.

Cet outillage devra également être facilement déplaçable et adapté à tous les godets des pelles Mining : du godet de 15m3 équipant les pelles R9250 au godet 42m3 équipant la R9800 et pour les deux configurations d’équipement : retro et chouleur.

1. Structure mécano-soudée

La structure en V développée, permet d‘accueillir les différentes formes des godets. Les parois inclinées servent de butée et transmettent l’effort horizontal aux patins rouleurs, entrainant ainsi la translation de l’ensemble.

La structure est composée de tôle en acier (acier LIEBHERR de limite élastique 380MPa) de différentes épaisseurs. A l’aide d’un fichier Excel permettant de calculer les contraintes maximales dans la structure en fonction de l’épaisseur et de la position des tôles, nous avons pu pré-dimensionner notre outillage. L’inertie a été calculée en décomposant la structure en éléments simples (voir extrait de la note de calcul en annexe).

Figure 20: Dispositif de translation des godets

Figure 21: Décomposition de la structure en éléments simples


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Les godets rétro exerçant d’importantes pressions de contact sur la face supérieure ont nécessité une étude particulière.

Figure 22: Efforts dus aux dents des godets

Des analyses par éléments finis ont finalement été effectuées pour dimensionner à plus de précision la structure (avec un coefficient de sécurité de 3 tout de même). Ces analyses ont été effectuées pour les différents cas de sollicitation des godets.

Figure 23: Analyse par éléments finis sur la structure

L’analyse manuelle et par éléments finis a été détaillée dans une note de calcul et a permis de valider la tenue mécanique de l’outillage.

L’intégration d’anneau de levage aux quatre coins de la structure et la possibilité de soulever l’ensemble avec un chariot élévateur, en passant sous la structure, facilite le transport et le positionnement de l’outillage sur site.

2. Translation

La translation de la structure sera assurée par des patins rouleurs supportant de très fortes charges. Le principe de fonctionnement de ces patins est basé sur un chemin de rouleaux en contact avec une plaque d’acier, posée préalablement au sol, permettant un roulement sans glissement. Le coefficient de frottement entre les patins et la plaque en acier est inférieur à 0,05.

Afin de tenir compte des efforts dynamiques dus au choc du godet sur les patins lors de la mise en place du dispositif, les forces statiques ont été doublées. Les patins doivent ainsi supporter à 2 x 165 tonnes. Pour cela, quatre patins d’une capacité de 100 tonnes chacun ont été fixés sur la tôle inférieure de la structure.

Fmax=1,618.10^6 N


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Figure 24: Patins rouleurs assurant la translation de la structure

3. Bilan

L’ensemble des mises en plan a été réalisé, la note de calcul et la tenue mécanique ont été

validées.

Il reste pour cet outillage à lancer la fabrication et à effectuer une série de tests avant de

pouvoir l’utiliser sur les mines.


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V. Groupe hydraulique pour le déplacement des châssis

Mon principal projet fut l’étude d’un outillage pour le déplacement des châssis des pelles minières. L’objectif était de réaliser une étude complète du système et de présenter un dossier de conception à l’issue de mon stage.

Les différentes étapes seront abordées pour cette étude :

Cahier des charges fonctionnelles : Analyse de l’existant, analyse des besoins, cahier des charges fonctionnel

Dimensionnement de l’outillage

Conception de l’outillage : modélisation 3D (et mise en plans)

Note de calcul associée au système

Etude de prix

A. Présentation

Pour le remplacement de la couronne de giration, il est nécessaire de soulever la tourelle (“JACKING SYSTEM“ présenté ci-dessus) et de dégager le châssis de façon contrôlée et sûre afin de pouvoir effectuer les travaux. Une fois le remplacement effectué, un repositionnement précis du châssis sous la tourelle est nécessaire.

Actuellement le déplacement du châssis est effectué à l’aide de bouteurs, ou d’autres engins de chantiers, qui poussent le châssis. Cette solution n’est pas adaptée puisque en plus d’être très peu précise (mauvais contrôle du déplacement), on risque d’endommager le châssis.

Figure 25: Bouteur poussant le châssis

La conception d’un groupe hydraulique entrainant les moteurs de translation du châssis permettrait un déplacement maitrisé et sécurisé du châssis et viendrait compléter la gamme d’outillage proposée pour le remplacement de la couronne de giration (avec le “Jacking system“ et le dispositif de translation des godets).

Le produit devra être adapté aux applications minières :

conditions de travail extrêmes (températures, poussières, vents) autonome : pour une plus grande polyvalence (moteur thermique, réservoir gasoil et

hydraulique) facilement déplaçable (peu encombrant)

Nous veillerons également, lors de la conception, au respect des normes en vigueur et aux critères de sécurité.


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B. Etude des châssis de pelle minière

Avant de dimensionner le système et de définir les contraintes de l’outillage, une étude détaillée du fonctionnement du châssis et de ses principaux organes était nécessaire.

Figure 26: Vue d'ensemble du châssis

1. L’ensemble moteur-réducteur de la partie translation

Le réducteur et les moteurs hydrauliques qui l’entrainent sont les composants transmettant l’effort aux chenilles. Les moteurs sont alimentés en huile par des pompes de travail, situées dans la partie tourelle, et par l’intermédiaire d’une distribution hydraulique.

Ces moteurs, souvent deux par côté, transforment cette puissance hydraulique (débit et pression) en puissance mécanique (couple et vitesse de rotation). Le réducteur (train épicycloïdal) augmente le couple transmissible et donc la force de traction disponible au niveau des chenilles de la pelle. Pour adapter la puissance aux conditions de travail, la plupart des moteurs sont à cylindrée variable. Une grande cylindrée permet de transmettre un couple plus important mais réduit la vitesse de rotation. A l’inverse une petite cylindrée diminue le couple transmissible mais permet d’atteindre des vitesses plus élevées.

Les moteurs sont situés de part et d’autre du châssis pour pouvoir piloter les trains de chenilles indépendamment.

(1) Moteur hydraulique (2) Barbotin : pièce mécanique transmettant l’effort aux

chenilles (3) Carter du réducteur (4) Frein à lamelles (5) Couvercle du réducteur (6) à (12) Réducteur

Pièce centrale mécano soudée Chenille

Train de chenille

Moteurs hydrauliques Réducteur

Longeron

Figure 27: Vue de coupe d'un réducteur


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2. Joint tournant

Le joint tournant (JT) est la liaison hydraulique entre la partie tourelle, où est situé le power-pack (moteur et pompes), et le châssis.

Le JT permet de distribuer l’huile entre une partie fixe (liée au châssis) et une partie mobile (en rotation avec la tourelle).

Avant le levage de la tourelle par le Jacking System, il est nécessaire de débrancher les connections au sommet du joint tournant. Un accès au composant est prévu sur toutes les pelles à l’intérieure de la tourelle. Le nombre de connections dépend du modèle de la pelle : pour la pelle R9250, seuls 5 flexibles sont reliés au joint tournant alors que pour la pelle R9800 15 conduites sont nécessaires pour distribuer l’huile aux différents organes.

La connexion de notre outillage au châssis pourra se faire par l’intermédiaire de cette liaison. En effet, les connections verticales (venant de la tourelle) seront libres et permettront de distribuer l’huile aux moteurs sans travaux supplémentaires. Nous vérifierons avant cela la hauteur de levage de la tourelle afin de garantir un déplacement sans accrochage du châssis.

3. Frein à lamelles (4)

Tous les châssis des pelles sont équipés d’un dispositif de frein à lamelles. Cette sécurité bloque la rotation du réducteur (et donc l’avance des chenilles) dès lors que les moteurs hydrauliques ne sont plus alimentés. A l’inverse dès qu’un débit est envoyé aux moteurs, un circuit de pression vient comprimer un ressort et engendre l’ouverture du frein.

Pour certaines pelles, le circuit de freinage est relié à l’alimentation des moteurs. Pour d’autres un flexible supplémentaire, passant à travers le joint tournant, est branché au réducteur.

La pression nécessaire pour le pilotage du frein est de 30 bar.

4. La tension des chenilles

La tension des chenilles est commandée dans chaque longeron par un vérin hydraulique. Ce vérin agit sur la roue guide du train de chenille. Lorsque la tension est réglée, la position doit être maintenue durant l’avance du châssis.

L’alimentation de ce vérin dépend, comme pour le dispositif de frein, du modèle de la pelle.

La pression d’alimentation du vérin dépend de la pelle, la valeur moyenne se situe autour de 40 bar.

5. Bilan

La description de ces différents organes nous explique le fonctionnement global de l’avance du châssis. En plus d’alimenter les moteurs de translation, il est faudra prévoir des circuits de pressions pour l’ouverture du frein à lamelles et pour le réglage de la tension des chenilles. Sans ces circuits annexes, le châssis risque d’être endommagé.

Vérin de tension

Roue guide

Bras support

Figure 28:Joint tournant

Figure 29: Vérin de tension des chenilles


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C. Analyse fonctionnelle et dimensionnement

L’analyse du sujet et de l’existant m’ont permis de recenser les différentes techniques utilisées actuellement et d’identifier nos contraintes quant à la conception de cet outillage.

1. Analyse de l’existant

Un groupe hydraulique a déjà été conçu sur site (voir photo ci-contre).

Cet outillage assez encombrant et difficilement transportable a été conçu avec des pièces de récupération : moteur NISSAN de 150 kW et partie hydraulique d’une pelle R994. L’ensemble a une masse de 4 tonnes.

D’importants travaux de démontage sont de plus nécessaires pour connecter le groupe hydraulique au châssis.

Nous souhaitons proposer un outillage polyvalent, moins encombrant, plus pratique et se déplaçant avec le groupe lors de l’opération.

2. Enoncé fonctionnel du besoin

Ci-dessous, le graphe des interacteurs regroupe les fonctions principales et les fonctions de contraintes du produit.

FP1 : Délivrer une puissance hydraulique permettant le déplacement du châssis FC1 : Garantir un fonctionnement durable et sécurisé du dispositif FC2 : Adapter le groupe hydraulique à l’ensemble de la gamme Mining FC3 : Être facile d’utilisation FC4 : Être facilement déplaçable FC5 : Utiliser des composants LIEBHERR FC6 : Résister aux conditions extérieures FC7 : Respecter les normes

Milieu ambiant

Modèle de pelle

FC1 FP1

FC2 FC3

FC4

FC7

Opérateur

Normes

Groupe auxiliaire de déplacement du

châssis

Jacking System

Châssis Huile

FC6

Composant LIEBHERR

FC5

Transport

Figure 30: Groupe hydraulique assemblé sur site


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L’une de nos exigences est l’utilisation de composants LIEBHERR (FC5). L’essentiel des outillages est vendu aux SAV du groupe. En proposant un groupe hydraulique équipé de composants LIEBHERR, nous nous assurons que les services amenés à l’utiliser connaissent le matériel, ont accès aux documents techniques et aux pièces de rechange.

3. Dimensionnement

Le groupe auxiliaire doit permettre le déplacement de l’ensemble des pelles de la gamme Mining (FC2). Chaque train de chaine sera piloté indépendamment pour une meilleure manœuvrabilité du châssis et une mise en position plus précise.

Figure 31: Moteurs de translation de la pelle R9800

a) Critères de dimensionnement du groupe

Le but du dimensionnement est de déterminer la puissance hydraulique nécessaire.

La puissance hydraulique se définit par :

Les valeurs à déterminer sont donc :

- le débit qui fixera la vitesse d’avance du châssis - la pression liée au couple à fournir pour le déplacement

b) Principe de calcul

La pelle la plus lourde est la R9800. C’est elle qui définira la puissance du groupe.

Pression nécessaire pour le déplacement du châssis :

La force de traction (Zugkraft) nécessaire au déplacement des châssis est déterminée par:

STS KKZugkraft FK Résistance

Diamètre primitif barbotin=2,44m

Zugkraft


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pente) la à e(Résistanc standSteigwider K

)pivotementau e(Résistanc erstandSchwenkwid K

roulement)au e(Résistanc tandFahrwiders K Avec

ST

S

F

Le remplacement de la couronne sera effectué sur terrain plat, STK est donc négligeable.

SK sera quant à lui faible puisque seuls de faibles virages de positionnement seront à

effectuer.

NgMKavecK châssisSSZugkraft 52301881,9.355432.15,0..15,0 K K :obtient On FF

15,0KF SK a été pris en fonction des coefficients utilisés pour le dimensionnement des

pelles. Afin de garantir un déplacement quel que soit l’état du terrain (boue, sable) et des chaines, un coefficient de sécurité de 2 est pris en compte dans le calcul de la Zugkraft.

NKFZugkraft 1046036523018.2..2

Cette force est répartie entre les deux trains de chaine d’où :

NZugkraft

F 5230182

chaine detrain

Le couple correspondant au niveau d’un réducteur est de :

.7976028,0

)244,2(.523018..chaine detrain

mN

chaine

bRF

redC

barbotindu primitifrayon : Rb

Le rapport de réduction moteur/barbotin est i = 497

La pelle R9800 possède trois moteurs par côté. Le couple calculé précédemment est donc réparti entre les trois moteurs:

mN

etriebefahrwerksgi

redC

moteurC .594

90,0.497.3

797602

..3

Pression en bar :

barVe

Cp

mécanique

moteur 110Pa 10.11095,0.10.355

2.594

.

5

6

/radmen moteur du cylindrée: Ve 3

Détermination du débit nécessaire: Nous souhaitons pouvoir déplacer les châssis de 50 mètres en 15 minutes. Ce critère permettra une intervention rapide sur les châssis.

km/h 2,0min/33,315

50' mchâssisduavancedvitesse

min/37,02.42,1

33,3

.2./

:obtient On tr

solrédd

châssisV

reducteurN


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sol leet réducteur du axe l' entre distance Avec/

solréd

d

Débit par moteur à 185 tr/min:

min/ 69/10.15,195,0

)60

185..2).(

.2

10.355()

60

..2.(

33

6

lsm

NVe

quevolumétriq

moteur

moteur

Le groupe auxiliaire sera équipé d’une pompe à débit variable par côté. Chaque pompe alimentera trois moteurs pour la pelle R9800.

Le débit nécessaire d’une pompe (pour un côté) est :

min/ 21895,0

69.3.3l

qq

vpompe

moteurpompe

Puissance hydraulique:

La puissance nécessaire par pompe (pour un côté) est de:

kW

ppompe

q

pompeP 40

600

110.218

600

.

Finalement, la puissance hydraulique totale du groupe est de:

kWpompe

Ptotale

P 8040.2.2

Le dimensionnement a été réalisé avec un coefficient de sécurité de 2. Cette sécurité nous

permet d’anticiper les conditions d’utilisation des différentes machines ainsi que les pics de

pression au démarrage.

4. Récapitulatif

Le principe de dimensionnement présenté ci-dessus a été repris pour les différentes pelles. Le tableau ci-dessous récapitule les débits, pressions et puissances moteur nécessaires pour déplacer les châssis des pelles une fois la tourelle soulevée.

La puissance hydraulique nécessaire pour entrainer le châssis de la pelle R9800 est de 80kW. Le débit nécessaire pour atteindre la vitesse d’avance fixée est de 2 x 218l/min.

Ces valeurs ne tiennent pas compte des pertes de charge dans le circuit.

Masse du châssis (kg)

Pression

(bar)

Débit des pompes (l/min)

Puissance pompe

kW

R9250 72447 47,7 2 x 106 17

R9350 87909 66 2 x 95 21

R9400 117000 73 2 x 120 29

R995 126577 76 2 x 126 32

R996 193886 92 2 x 160 50

R9800 355432 110 2 x 218 80

min/185497.37,0*

:où D' trired

Nmoteur

N


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5. Analyse des mesures de pressions sur les moteurs de translation

Afin de vérifier la validité des valeurs trouvées par le dimensionnement, nous avons comparé ces résultats aux valeurs mesurées lors des essais sur les pelles prototypes.

Il faut cependant être vigilant sur l’interprétation des courbes présentes ci-dessous. Ces valeurs de pressions ont été mesurées sur la pelle complète (châssis et tourelle). Les masses misent en jeu ne sont donc pas les mêmes. Les relevés ont de plus été effectués sur du béton pour des pelles neuves. Les conditions ne sont donc pas comparables à celles subies sur le terrain.

Malgré tout, ces mesures nous donnent l’allure générale des courbes et l’ordre de grandeur des pressions dans les moteurs de translation.

Pressions moteur pour la pelle R9250

Figure 32: Pressions dans les moteurs de translation pour la pelle R9250

Les pressions moteur sont affichées en vert et noir, les pressions de freinage en rouge et bleu.

On constate que la pression moteur se situe aux alentours de 55 bar pour la pelle complète. Le dimensionnement, bien que correspondant à d’autres conditions, parait réaliste au vue de ces mesures, les valeurs étant du même ordre de grandeur.

Le deuxième enseignement que nous pouvons tirer de ces mesures est l’influence du pilotage sur les pics de pressions au démarrage. On constate que pour une montée brusque en régime la pression atteint 130 bar. Un pilotage progressif du moteur permet par contre d’atténuer de manière significative ce pic : 80 bar.

Nous veillerons à imposer un pilotage progressif pour notre outillage afin de limiter les montées brusques de pression.

Les relevés d’autres pelles ont également été analysés et valident les remarques précédentes.

Pilotage progressif Pilotage non progressif

Pic au démarrage

55 bar


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6. Bilan

Afin de garantir un fonctionnement optimal de l’outillage quelles que soient les conditions d’utilisation, la puissance hydraulique (de la pompe) minimale nécessaire est de 80 kW.

D. Cahier des charges fonctionnel (CDCF) A partir de l’étude hydraulique du châssis et du dimensionnement du groupe, nous avons pu rédiger le CDCF.

Fonction Caractéristique Critères Niveau Flexibilité

FP1

Délivrer une puissance

hydraulique permettant le

déplacement du châssis

Châssis de la pelle Vitesse d'avance 3,2 m/min F1

Moteur Puissance minimale 80 kW F0

Réservoir diesel 250 L F2

Pompe Débit 2 x 220 l/min F1

FC1

Garantir un fonctionnement

durable et sécurisé du dispositif

Dispositif de freinage du châssis

Pression 30 bar F0

Alimentation du vérin pour la tension des chaines

Pression 40 bar (réglable) F0

Flexibles

Norme LIEBHERR 10286318-004 F0

Pression d’utilisation max. Mitteldruckschlauchleitung

165 bar F0

Longueur 10 m F1

Manomètre

Précision 1% val max F1

Plage de fonctionnement 0-200 bar F0

Filtre de retour 10 μm F1

Huile Niveau Visuel F1

Radiateur pour le refroidissement de l’huile

Type Huile / Air entrainement

hydraulique F0

FC2

Adapter le groupe hydraulique à

l'ensemble de la gamme Mining

Pelle Modèle R995, R996, R9250,

R9350, R9400, R9800 F0

Propriétés Pression d'utilisation max ≈110 bar (selon modèle) F0

Réservoir hydraulique Capacité 220 L F1

FC3 Etre facile d'utilisation Commande Fonction Marche/Arrêt F0

Type Manipulateur (Joystick) F0

FC4 Être facilement

déplaçable Groupe auxiliaire

Poids max 2,5 tonnes F1

Encombrement Minimum F1

FC5 Utiliser des composants LIEBHERR

Hydraulique Pompe Pompe à cylindrée variable

(2 sorties) F0

Moteur Thermique Diesel F0

FC6 Résister aux

conditions extérieures

Câbles Etanchéité des équipements hydrauliques et électriques à la poussière et à l’eau

- F0

Groupe auxiliaire Résistance à la corrosion

Traitement des matériaux + Peinture

F0

Température d’utilisation -40 à 60°C F0

FC7 Respecter les normes

internationales Directives Européenne

2006/42/CE F0

EN 809 (pompes et groupes hydraulique)

F0

F0 : impératif / F1 : peu négociable / F2 : négociable


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E. Choix des composants

Nous souhaitons développer un outillage LIEBHERR ; le moteur et la pompe seront choisis dans la gamme de la marque.

1. Pompe

La pompe double parallèle à débit variable DPVP108 est une pompe LIEBHERR qui répond au cahier des charges. Elle possède deux sorties indépendantes permettant d’atteindre un débit maximum de 2 x 240 l/min. Cette pompe compacte permet un montage direct sur les moteurs diesel LIEBHERR.

2. Moteur

Le moteur thermique le moins puissant de la gamme LIEBHERR délivre une puissance de 105kW. Bien que légèrement surdimensionné, nous équiperons notre groupe hydraulique avec ce moteur. Cette puissance supplémentaire nous permet de régler nos limiteur de pression à 150 bar. Cet outillage pourra ainsi être utilisé pour d’autres applications comme le déplacement d’une pelle complète ou pour le montage.

Le moteur thermique offre une plus grande autonomie à l’outillage puisqu’aucune installation spécifique ne sera nécessaire pour l’utilisation du groupe.

Le moteur est un quatre cylindres en ligne, d’un poids de 900kg.

Ces deux composants sont assemblés sur les petits modèles de la gamme terrassement ; de la pelle R906 à la pelle R926. L’accouplement de ces deux sous ensembles ne nécessite ainsi aucun travail supplémentaire.

3. Refroidissement

Pour anticiper des problèmes de surchauffe liée aux conditions d’utilisation extrêmes des pelles, nous équiperons notre groupe d’un radiateur. Ce dernier sera utilisé à la fois pour le refroidissement du moteur thermique et pour l’huile en circulation. Là aussi, pour simplifier la conception et réduire le risque de problèmes, nous avons récupéré un radiateur de pelle de terrassement.

Figure 34: Moteur diesel D934SA6

Figure 33: Pompe LIEBHERR DPVP108


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F. Principe de fonctionnement

1. Schéma hydraulique de principe

2. Principe

Bien que l’on privilégie le plus souvent un circuit fermé pour des récepteurs rotatifs (moteurs hydrauliques), le choix de notre pompe nous impose une architecture hydraulique de type circuit ouvert pour notre groupe. Malgré un moins bon rendement, le circuit ouvert permet :

d’assurer une meilleure filtration de l’huile en circulation

de facilité l’implantation d’un système de refroidissement

Le moteur thermique de 105 kW entraine une pompe double à cylindrée variable (une sortie de pompe par train de chaine) qui alimente à son tour en parallèle les moteurs de translation du châssis.

Les distributeurs proportionnels permettent un contrôle progressif du débit et donc de la vitesse d’avance. Le pilotage du groupe et des distributeurs sera effectué à l’aide d’une télécommande à joysticks. Pour les gros débits d’huile la solution consiste à utiliser un distributeur à étage piloté. L’électro-aimant qui commanderait le tiroir serait très gros et de puissance élevée pour un pilotage direct.


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Figure 36: Branchement des flexibles directement sur les moteurs

Figure 35: Distributeur à étage piloté

Les limiteurs de pression régulent les pressions internes du circuit à 150 bar.

Sur la boucle de retour, un filtre permet d’éliminer la pollution engendrée par le fonctionnement du circuit.

Le radiateur nous permet de maintenir l’huile en circulation à bonne température.

L’alimentation du frein sera prise sur le circuit d’alimentation des moteurs et la pression sera limitée à 30 bar.

La pression pour alimenter les vérins de tension des chenilles sera également prise sur l’alimentation moteur, un clapet réglable nous permettra d’ajuster la pression en fonction du modèle de la pelle.

Nous veillerons à ouvrir les freins et à tendre les chenilles avant d’alimenter les moteurs de translation. Cette sécurité sera mise en place au niveau de la commande. Pour cela nous pourrons par exemple assurer une temporisation avant le passage de l’huile à travers les distributeurs alimentant les moteurs.

3. Principe de raccordement du groupe

Il existe plusieurs possibilités pour raccorder le groupe auxiliaire au châssis.

La première solution est de brancher l’outillage directement au niveau des moteurs de translation. Cette méthode n’est pas la plus fonctionnelle, puisqu’elle nécessite de débrancher les flexibles installés au niveau des moteurs afin de connecter le groupe. La disposition, le type et le nombre de moteur est différent pour chaque pelle, ce qui nécessiterait un système de distribution adaptable.

La seconde est de raccorder le groupe au sommet du joint tournant. Cette solution, déjà évoquée au préalable, permet d’éviter tous travaux supplémentaires. Il faut néanmoins garantir une hauteur de levage suffisante pour permettre le passage du châssis, avec les raccords au sommet du joint tournant, sous la tourelle. Pour les petites pelles de la gamme cette solution est envisageable, en revanche sur les pelles R996 et R9800 seule une faible marge de levage au dessus du JT est possible. Figure 37: Vue de dessus du JT


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Figure 38: Principe de raccordement au sommet du JT

La troisième solution consiste à connecter l’outillage au niveau des blocs de distribution hydraulique situés à l’intérieur du châssis. Ces blocs sont accessibles sur chaque pelle et permettraient de distribuer l’huile par l’intermédiaire des flexibles déjà en place.

Figure 39: Blocs de distributions situés à l'intérieure du châssis

4. Diamètres des flexibles et types de raccord

La liste suivante indique le type de flexibles nécessaires :

Pour les quatre flexibles d’alimentation des moteurs : flexible DN40 (1 ½“), type de raccord SAE

Pour le flexible de drain : flexible DN 25 (1 “), type de raccord DKOL Pour le flexible de frein: DN16 (5/8“), type de raccord DKOL Pour le flexible de tension des chenilles : DN16 (5/8“), type de raccord DKOL

G. Conception du groupe –Modélisation CAO

Une fois les composants principaux choisis, nous avons pu commencer la modélisation 3D du modèle. Les critères à respecter pour la conception des outillages sont : la simplicité, la fonctionnalité, la tenue mécanique et la facilité de transport.

La structure de l’outillage peut être décomposée en trois sous-ensembles : le châssis, le power-pack et la structure supérieure.


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1. Le châssis

Nous avons voulu concevoir un outillage le plus compact possible pour faciliter au maximum son transport. Pour cela nous avons intégré les réservoirs (huile hydraulique et gasoil) à la structure du groupe. Pour son déplacement l’outillage possède des prises pour chariot élévateur. Ces tubes rectangulaires permettent également de rigidifier la structure et serviront de support à la fixation du power-pack.

a) Réservoir hydraulique

On estime la capacité nécessaire du réservoir d’huile par :

Cette règle a donc été suivie pour le dimensionnement de notre réservoir d’huile, auquel nous avons ajouté :

- système de filtration pour le retour d’huile radiateur - un bouchon de vidange située sur la face du dessous - filtre d’aération - indicateur de niveau

b) Réservoir gasoil

Le réservoir gasoil situé de l’autre côté du châssis à également une capacité de 250L environ. Cette symétrie au niveau de la construction nous permet de fixer le centre de gravité au milieu de la structure. Le moteur étant lui aussi centré par rapport au châssis.

Le réservoir gasoil est équipé :

-bouchon de remplissage (muni d’un tamis) -bouchon de vidange -indicateur de niveau

Prises pour chariot élévateur

Réservoir gasoil Filtre d’huile

Aspiration pompe avec vanne d’arrêt

Prises pour chariot élévateur

Réservoir huile Niveau

Support moteur

Support radiateur

Figure 40: Description du châssis de l'outillage


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2. Le power pack

Le power-pack constitué du moteur diesel et de la pompe double LIEBHERR est fixé entre les deux réservoirs. Nous avons veillé à garantir une hauteur d’huile suffisante à l’aspiration de la pompe pour éviter tout phénomène de cavitation.

Pour ce sous assemblage j’ai récupéré les modèles 3D des différents composants (moteur pompe, radiateur, échappement, démarreur, alternateur, filtre à air) et les ai connectés de sorte à réduire l’encombrement.

Pour la modélisation des tuyaux et des flexibles, j’ai du me former au module Pipping de Pro-Enginneer.

3. La structure supérieure

La structure supérieure permet une bonne accessibilité (quatre grandes portes situées de part d’autre) à l’entrainement et aux réservoirs du groupe hydraulique.

Une carrosserie aérée, inspirée de celle d’une pelle, habille l’ensemble et protège l’équipement.

Pompe double

Moteur diesel Radiateur combiné

Echappement

Filtre à air

Raccords radiateur/ moteur

Aspiration pompe

Sorties pompe

Figure 41: Description du power-pack


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La face arrière permet de distribuer l’huile aux différents éléments du châssis, et permet de contrôler le bon déroulement de l’opération :

2 x 2 flexibles pour l’alimentation des moteurs,

1 flexible pour l’ouverture du frein hydraulique

1 flexible pour la tension des chenilles

1 flexible pour le drain

4 x manomètres pour le contrôle de la pression

La structure supérieure est de plus entièrement démontable du reste du groupe : elle peut être soulevée grâce aux anneaux de levage situés aux coins supérieurs.

4. Groupe hydraulique

Malgré nos efforts pour réduire au maximum l’encombrement du groupe hydraulique, les dimensions extérieures de l’ensemble sont assez impressionnantes :

Longueur x Largeur x Hauteur= 2700 x 1500 x 1400 mm

Le poids de l’ensemble est approximativement de 2,3 tonnes.

Ces dimensions sont essentiellement influencées par la taille de l’entrainement du groupe et du radiateur. Néanmoins sa facilité a être déplacé compense cet encombrement.

Portes

Profils carrés Distributions hydraulique

Figure 42: Description de la structure supérieure

Figure 43: Vue d'ensemble du groupe hydraulique

Anneaux de levages


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Le pilotage sera effectué à l’aide d’une télécommande permettant un contrôle à distance de l’outillage en toute sécurité.

Pour faciliter le déroulement de l’opération nous avons étudié la possibilité d’accrocher le groupe hydraulique au châssis durant le déplacement. Un système de luge a été proposé pour tirer le groupe avec le châssis mais cette étude n’a néanmoins pas abouti.

Le déroulement de l’opération devra donc pour l’instant être réalisé par séquence ; le groupe devant être déplacé en parallèle du châssis.

Figure 44: Principe de raccordement au châssis

Mon travail pour cette partie a consisté à choisir les différents composants, à dimensionner et à concevoir l’intégration de la structure et à vérifier la bonne tenue mécanique de l’outillage.

H. Etude économique

Pour l’estimation du coût global, nous avons demandé le prix des composants (moteur, pompe, radiateur) au service marketing et chiffré l’étude et la fabrication.

Le prix de vente, fortement influencé par le moteur thermique et la pompe, s’avère trop élevé pour les pelles inférieures à 400 tonnes. Le dimensionnement d’un outillage unique, implique un groupe hydraulique surdimensionné et donc trop cher pour les “petits“ modèles. Afin de proposer une solution adaptée à chacun, nous avons étudié un outillage moins puissant, plus compacte et moins cher.


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VI. Groupe électrique

A. Présentation

Sur le même principe que le groupe thermique, nous avons décidé de dimensionner un outillage adapté uniquement aux pelles inférieures à 400 tonnes. Celui-ci moins puissant pourra être entrainé par un moteur électrique que nous alimenterons grâce à l’installation électrique du Jacking system.

Pour ce projet nous avons travaillé en collaboration avec Bosch-Rexroth à qui nous avons fourni un cahier des charges détaillé.

B. Dimensionnement

Pour une vitesse d’avance de 0,2 km/h, les valeurs obtenues sont :

Masse du châssis (kg)

Pression

(bar)

Débit pompe (l/min)

Puissance pompe en kW

R9250 72447 51 2 x 90 15

R9350 87909 66 2 x 91 20

R9400 117000 74 2 x 100 25

Nous constatons que les débits nécessaires (max. 2x100l/min) sont bien plus faibles que précédemment. La pression à fournir pour déplacer le châssis étant de 74 bar, nous règlerons les limiteurs de pression à 100 bar pour anticiper les montées en pression au démarrage.

Le Jacking System nécessite une installation électrique de 22kW. Pour réutiliser cette alimentation le moteur équipant notre outillage ne devra pas dépasser cette puissance.

La puissance hydraulique à fournir (25 kW) étant supérieure à la puissance du moteur (22kW), il faudra réguler la pompe : limiter le débit en cas de montée en pression.

Cette précaution est indispensable et évitera au moteur de caler.


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C. Cahier des charges

1. Graphe des interacteurs

FP1 : Délivrer une puissance hydraulique permettant le déplacement du châssis FC1 : Garantir un fonctionnement durable et sécurisé du dispositif FC2 : Être facile d’utilisation FC3 : Être facilement déplaçable / Fixable au châssis FC4 : Résister aux conditions extérieures FC5 : Respecter les normes

2. Cahier des charges fonctionnel (CDCF)

Le CDCF récapitule les besoins et les contraintes du groupe hydraulique électrique.

F0 → impératif

F1 → peu négociable

F2 → négociable

Milieu ambiant

FC1

FP1

FC2

FC3

Opérateur Groupe auxiliaire de déplacement du

châssis

Jacking System

Châssis Huile

FC4

Transport Normes

FC5


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Fonction Caractéristique Critères Niveau Flexibilité

FP1

Délivrer un débit d’huile permettant le

déplacement du châssis

Châssis de la pelle Vitesse d'avance 3 m/min F2

Moteur

Puissance 22 kW F1

Type Electrique F0

Tension d’alimentation 400 V (+/-10%),

50-60 Hz (+/-10%) F0

Pompe Type

Cylindrée variable F0

Pompe double ou deux pompes

F0

Débit 2 x 100 l/min F2

FC1 Garantir un

fonctionnement durable et sécurisé du dispositif

Dispositif de freinage du châssis à dégager

Pression 30 bar F0

Flexibles

Norme LIEBHERR 10286318-004 F0

Pression d’utilisation max. Max 100 bar au démarrage 70 bar max. en mouvement

F0

Longueur 5 m F1

Manomètre Précision 1% val max F1

Plage de fonctionnement 0-200 bar F2

Filtre Filtre de retour 10 μm F0

Huile Type

LIEBHERR (cf documentation technique)

F0

Niveau Visuel F1

Système de refroidissement de l’huile

Type Huile / Air F0

Dispositif de préchauffage

(uniquement pour modèle grand froid)

Température de l’huile Cf documentation sur l’huile

LIEBHERR F0

Dispositif anti-condensation

Pourcentage d’humidité <0,1% F0

FC2 Etre facile d'utilisation Commande Type Proportionnelle F0

Technologie Télécommande filaire F0

FC3 Être facilement

déplaçable/ Fixable au châssis

Groupe auxiliaire Poids max 1,5 tonnes. F1

Encombrement Longueur max 1700mm F0

FC4 Résister aux conditions

extérieures

Câbles

Etanchéité des équipements hydrauliques et électriques à la poussière et à l’eau

- F0

Groupe hydraulique

Vent

Voir cahier des charges général concernant l’outillage

F0 Température

Altitude

FC5 Respecter les normes

internationales Directives Européenne/ Internationale

2006/42/CE F0

EN 809 (pompes et groupes hydraulique)

F0


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D. Caractéristiques hydrauliques et principe

Bosch Rexroth propose des groupes hydrauliques standards (circuit fermé), cependant notre application nécessite une étude spécifique.

Le schéma hydraulique ci-dessous présente le principe de fonctionnement du groupe électrique.

1. Schéma hydraulique

2. Principe

Le moteur électrique entraine deux pompes à cylindrée variable (une pompe par train de chaine) qui alimentent à leur tour en parallèle les moteurs de translation du châssis. Les pompes devront avoir une cylindrée minimale nulle pour ne pas alimenter les moteurs en position neutre.

La différence avec le groupe thermique est l’absence de distributeur dans l’architecture hydraulique du circuit : le pilotage se fera directement au niveau de la pompe (débit et sens de rotation).

Les limiteurs de pression régulent les pressions internes du circuit à 100 bar (pression maximale au démarrage).

Un filtre (10 μm) sera mis en place pour éliminer la pollution engendrée par le fonctionnement. Un indicateur de température nous permettra de contrôler l’échauffement de l’huile.


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Pour des applications spécifiques (pays froids) nous équiperons le groupe d’un dispositif de chauffage de l’huile (canne chauffante située dans le réservoir).

Comme pour le groupe thermique deux circuits annexes de pression serviront à piloter le frein à lamelles (30 bar) et la tension des chenilles (pression réglable, préréglage à 40 bar).

Nous veillerons également à respecter une temporisation entre l’envoi de la pression dans les freins à lamelles et l’envoi de la pression dans les moteurs de translation.

E. Proposition

A partir des exigences formulées, Bosch-Rexroth nous a proposé un groupe hydraulique, cependant celui-ci est destiné à des applications industrielles (composants non protégés). Afin d’adapter ce produit aux conditions minières, nous récupèrerons les composants du groupe modélisé ci-contre et développerons, en interne, une structure robuste et fixable au châssis.

Un nouveau stagiaire en charge de la suite du projet travaille en ce moment sur la conception de cette structure.

F. Etude économique

Le coût du groupe Bosch-Rexroth est deux fois moins important que la version thermique. Ce coût dépend en grande partie du prix de l’étude pour la partie commande et pour la partie hydraulique ; coût unitaire qui sera réparti en fonction du nombre d’outillage vendu.

Figure 45: Groupe hydraulique Bosch

Figure 46: Principe de fixation du groupe


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VII. Comparaisons des deux solutions :

Nous avons comparé les deux groupes présentés ci-dessus.

1. Durée d’intervention

Pour un déplacement de 30 m le tableau récapitule les durées nécessaires en fonction de l’outillage :

Figure 47: Durée d'intervention pour les deux outillages

On constate que la durée d’intervention est deux fois plus longue avec le groupe électrique

2. En conclusion

Outillage adapté Outillage peut être utilisé sous conditions

Outillage non adapté

Le groupe thermique est dimensionné pour permettre le déplacement de toutes les pelles de la gamme en une quinzaine de minutes quelles que soient les conditions.

Cet outillage volumineux ne peut néanmoins pas être accroché au châssis durant l’opération et nécessite d’être déplacé, en parallèle, par une machine de levage. Son coût de fabrication est assez élevé surtout pour les “petites“ pelles.

Le groupe électrique est spécifiquement dimensionné pour les pelles inférieures à 400 tonnes. Sa puissance plus faible que la version thermique nécessite une durée d’intervention plus longue. Le groupe proposé par Bosch n’est pas équipé de système de refroidissement, il faudra être vigilant à l’échauffement de l’huile sur la durée. Les applications à hautes altitudes sont également déconseillées : perte de puissance non négligeable (plus que 15kW à 4600m). Son encombrement réduit, lui permet par contre d’être fixé au châssis durant la manœuvre.

Il conviendra au client de faire le choix adapté à ses besoins.

Uniquement pour les pelles <400 tonnes

Puissance Caractéristiques hydrauliqueDurée pour les pelles

< 400 tonnes

Durée pour les pelles

> 400 tonnes

Température extérieure > 50°C

+ Durée d'intervention > 30 min Hautes altitudes

Groupe hydraulique

électrique 22kW

débit: 2 x 250 l/min

pression: 130 bar≈15 min

entre 15 et 25 min

selon modèle

échauffement de 15°C en 15

min

Puissance disponible à 4600 m

≈ 15 kW

Groupe hydraulique

thermique 105kW

débit: 2 x 100 l/min

pression: 100 bar (réglage

des clapets), 70 bar en

service

≈ 7min entre 8 et 15 min selon modèleRadiateur avec système de

refroidissement huile/air

Puissance disponible à 4600 m

≈ 73 kW


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VIII. Conclusion technique

D’un point de vue technique, ce projet m’a permis d’étudier et de développer un nouvel outillage au sein du bureau d’étude outillage Mining.

Mon projet initial était l’étude et le développement d’un groupe hydraulique unique pour le déplacement des châssis mais je me suis rendu compte que les différences de masse et de dimensions des pelles nécessitaient une étude en deux parties

-un groupe thermique adapté aux pelles supérieures à 400 tonnes

-un groupe électrique, compact, moins cher, adapté aux pelles inférieures à 400 tonnes

La conception du groupe thermique est presque terminée, seule la partie commande (en externe) ainsi que les mises en plan restent à réaliser.

L’étude du groupe électrique, en collaboration avec Bosch-Rexroth, est achevée. Ces derniers nous ont fait parvenir courant du mois de février un dossier technique et une offre de prix pour cet outillage. Le développement d’une structure permettant d’adapter ce groupe aux conditions minières reste cependant à réaliser pour finaliser la conception.

J’ai présenté l’avancement du projet au responsable du bureau d’étude Mr WEISS lors de la dernière semaine. Il a été décidé de privilégier le développement du groupe électrique dans un premier temps. Cet outillage, dont l’intégralité des composants et de l’étude sera fournie par Bosch pourra être finalisé assez rapidement.


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IX. Conclusion personnelle

Installé au sein du bureau d’étude outillage Mining, mon projet de fin d’études avait pour objectif l’étude et le développement d’un groupe hydraulique pour le déplacement des châssis.

Lors de ce projet, j’ai pu mettre en application de nombreuses connaissances qui m’ont été enseignées durant ma formation d’ingénieur à l’INSA de Strasbourg. Ces six mois passés au sein de la société LIEBHERR ont donc constitué un complément idéal à ma formation.

Les moyens mis à ma disposition m’ont permis de me sentir vraiment intégré dans l’équipe, au même titre que les ingénieurs du bureau d’étude. J’ai ainsi pu élargir mes connaissances en technique de conception et de fabrication, tant au niveau théorique que pratique, et cela dans les meilleures conditions.

A l’issu de ce dernier stage, je réalise mieux les réalités du métier d’ingénieur, ainsi que la polyvalence indispensable pour mener à bien une étude.

Cette expérience, très enrichissante, représentera, sans aucun doute, un avantage pour mon avenir professionnel en tant que ingénieur en mécatronique.


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Bibliographie

Fanchon J.L., Guide de mécanique - Sciences et technologies industrielles, Nathan, 2004

Barlier C., Bourgeois R., Mémotech Plus, Casteilla, 2003

Spenlé D., Gourhant R., Guide du calcul en mécanique, Hachette Technique, 2003

Directive européenne 98/37/CE

Internet :

Direct Industry

Techniques de l’ingénieur

Wikipédia


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Table des illustrations

Figure 1 : Dr Hans LIEBHERR .............................................................................................. 8

Figure 2 : Grue à tour 1949 ................................................................................................... 8

Figure 3 : Pelle sur pneu 1953 ............................................................................................... 8

Figure 4 : Implantation de la société LIEBHERR dans le monde ........................................... 9

Figure 5: Diaporama des activités dans le bâtiment et les travaux public .............................10

Figure 6 : Répartition du CA par groupe de produits .............................................................10

Figure 7 : Répartition de l’effectif du groupe LIEBHERR par pays ........................................10

Figure 9: Pelles de terrassement produites sur le site de Colmar .........................................11

Figure 8 : Agences commerciales de LIEBHERR France .....................................................11

Figure 10: Sites Mining et Terrassement (LFR) de Colmar ...................................................12

Figure 11: Exemple de mine à ciel ouvert (Russie) ...............................................................12

Figure 12: Gamme des pelles minières ................................................................................13

Figure 13 : Constitution d'une pelle hydraulique sur chenille ................................................14

Figure 14 : Principaux concurrents dans le domaine minier ..................................................14

Figure 15: Principaux clients LIEBHERR dans le Mining ......................................................15

Figure 16: Exemples d'outillages conçus par le service ........................................................16

Figure 17: Fissure de la couronne ........................................................................................17

Figure 18: Principe de levage du Jacking System ................................................................17

Figure 19:Vue globale du système de levage .......................................................................18

Figure 20: Dispositif de translation des godets .....................................................................19

Figure 21: Décomposition de la structure en éléments simples ............................................19

Figure 22: Efforts dus aux dents des godets .........................................................................20

Figure 23: Analyse par éléments finis sur la structure ...........................................................20

Figure 24: Patins rouleurs assurant la translation de la structure ..........................................21

Figure 25: Bouteur poussant le châssis ................................................................................22

Figure 26: Vue d'ensemble du châssis .................................................................................23

Figure 27: Vue de coupe d'un réducteur ...............................................................................23

Figure 28:Joint tournant ........................................................................................................24

Figure 29: Vérin de tension des chenilles .............................................................................24

Figure 30: Groupe hydraulique assemblé sur site .................................................................25

Figure 31: Moteurs de translation de la pelle R9800 .............................................................26

Figure 32: Pressions dans les moteurs de translation pour la pelle R9250 ...........................29

Figure 33: Pompe LIEBHERR DPVP108 ..............................................................................31

Figure 34: Moteur diesel D934SA6 .......................................................................................31


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Figure 35: Distributeur à étage piloté ....................................................................................33

Figure 36: Branchement des flexibles directement sur les moteurs ......................................33

Figure 37: Vue de dessus du JT ...........................................................................................33

Figure 38: Principe de raccordement au sommet du JT ........................................................34

Figure 39: Blocs de distributions situés à l'intérieure du châssis ...........................................34

Figure 40: Description du châssis de l'outillage ....................................................................35

Figure 41: Description du power-pack ..................................................................................36

Figure 42: Description de la structure supérieure .................................................................37

Figure 43: Vue d'ensemble du groupe hydraulique ...............................................................37

Figure 44: Principe de raccordement au châssis ..................................................................38

Figure 45: Groupe hydraulique Bosch ..................................................................................43

Figure 46: Principe de fixation du groupe .............................................................................43

Figure 47: Durée d'intervention pour les deux outillages.......................................................44


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Annexes

Annexe 1 + 2 : Planning du projet

Annexe 3 : Extrait de la note de calcul pour le dispositif de translation des godets

51

Annexe 1+2 : Planning du projet

Planning pour le dimensionnement du dispositif de translation des godets

52

Pla

nn

ing p

ou

r la

co

nce

ptio

n d

u g

rou

pe h

ydra

uliq

ue

53

Annexe 3 :

o CALCULS DE VERIFICATION DE L’OUTILLAGE

Introduction

La structure mécano-soudée a été conçue de telle sorte qu’aucune des soudures ne soit portante. Nous

veillerons à respecter un coefficient de sécurité de 3 pour les contraintes dans la structure. La limite élastique de

l’acier LIEBHERR LH380 étant fixé à 380MPa.

o Calcul de la tôle de l’outillage

Modélisation

Pour le calcul analytique nous traiterons le cas de sollicitation le plus défavorable au regard de la structure, c'est-

à-dire une charge exercée par une dent du godet retro de la pelle R9800. Nous avons modélisé cette charge par

une force ponctuelle centrée sur la surface supérieure de l’assemblage.

La structure est soumise à des contraintes de flexion et de compression:

flexion longitudinale (dans le plan xy)

flexion transversale (dans le plan yz)

compression verticale

Nous détaillerons pour chacune de ces sollicitations le calcul analytique des contraintes et veillerons au respect

des directives.

La valeur de Fmax=61,618.10 N correspond à la charge maximale exercée par le godet sur la structure.

Flexion longitudinale (plan xy)

Moment de flexion

mm.3535330004

874.

61,618.10

4

d1.

maxF

axM N

fm

Figure : Modélisation des efforts du godet sur la structure

Fmax=1,618.10^6 N

Fmax=1,618.10^6 N

x

y

z

y

54

Pour le calcul analytique du moment d’inertie de la structure, nous avons décomposé le modèle en élément

simple de calcul. (Voir schéma ci-dessous). Ce calcul correspond à une approximation de la valeur réelle. Un

calcul plus détaillé et plus volumineux a été effectué parallèlement afin de vérifier la validité des hypothèses.

4195732000

12

3180.2423240.272

12

33

1I :Cen profildu inertied'Moment mm

baBA

45.79448963

12

33.62).30596(33.122.596

12

3).(3

2I :Ien profildu inertied'Moment mm

aeBBA

4550361927

2I

1I.2soudé-mécano ensemblel' de inertied'Moment mm

37,4 , N/mm² 77,1 550361927

.120353533000

.fmax

M

77,1

360 : finalementobtient On s

x

flexiontI

Figure : Décomposition en éléments simple pour le calcul du moment d’inertie

B

b

a

A

a

A

B

b

b

z

z

yx

yx

55

Flexion transversale (plan yz)

Moment de flexion

mm.2467450004

610.

61,618.10

4

d2.

maxF

axM N

fm

Comme précédemment, pour le moment d’inertie, nous avons décomposé le modèle en élément simple de calcul

(voir schéma ci-dessous). Ce calcul correspond également à une approximation de la valeur réelle. Un calcul

plus détaillé a aussi été effectué parallèlement afin de vérifier la validité des hypothèses.

4445398000

12

3180).40576(3245.576

12

3).(3

3I : Ien profildu inertied'Moment mm

aeBBA

4270648000

12

3180.2683240.348

12

33

4I : Oen profildu inertied'Moment mm

baBA

41161444000

4I

3I.2soudé-mécano ensemblel' de inertied'Moment mm

Fmax=1,618.10^6 N

B

b

A a x

yx

d2

Modèle simplifié pour le calcul de l’inertie

56

On obtient finalement :

39,13 , N/mm² 25,8 1148145625

.120246745000

.fmax

M

25,8

360 s

x

flexiontI

Le coefficient de sécurité de 3 est largement respecté pour ce cas de sollicitation.

Vérification de l’élancement du support

simple.n compressio la à calculé serasupport e 20 àinférieur étant élancementL' 201-

mm 15,1

²3,106

4mm155161262

12

3.I

mm 122,3 support du libreHauteur H

²5,1372627,37.3,368S

5,13726

1551611262

S

dessous)-ci schéma(voir

lH

mm

hb

Gz

mm

GZI

Compression verticale

Nous évaluerons dans ce calcul la contrainte de compression exercée par une dent sur la structure mécano-

soudée.

305,3 ,87,117368,30*37,27

61,618.10 max

F

117,87

360 sMPa

S

La surface S prise en compte pour le calcul de la contrainte de compression correspond à la surface de contact

d’une dent du godet (représentée en rouge ci-dessus).

Conclusion :

Les contraintes exercées sur la structure ne dépassent pas la contrainte critique σadm =120 N/mm² pour correspondre au coefficient de sécurité s=3.

Fmax=1,618.10^6 N

H=123 mm

57

o Roller Hilman

Les rollers choisis, servant à translater l’ensemble (ref.XOT 100), supportent chacun une charge de 100 tonnes

(voir document constructeur ci-dessous). L’assemblage comporte 4 rollers de ce type. En considérant la charge

équitablement répartie entre les quatre rollers, on obtient:

NMasseMasse 63,924.10 de charge une àéquivaut qui ce tonnes400.4

/rolleradmissibleadmissible totale

: aOn

NFadmissible

F N 610.618,1

max_chargemax 63,924.10

Aucun coefficient de sécurité n’a besoin d’être pris en compte ici puisque les rollers seront achetés.

o Calcul de l’anneau de levage

N22796 Poids

F

kg 3

1,859.10 m

M : ensemblel' de Masse

25,1.81,9.10.930,1 3

En supposant que la charge soit équitablement établie entre deux

anneaux de levage, on a:

N2

3666,632

2

levage deanneau F 11398 Poids

F

N3,13161sin60

11398

60sin

levage deanneau F

élingue

F

Calcul au cisaillement

35,7 35,1N/mm² 375

13161,3

S

F

mm² 375 25)-15.(50 )i

R-e

e.(R S

.35,13

350

s

Calcul à la flexion

320 17,5

, N/mm² 17,5 750

13161,3

S

F

mm² 750 50)-15.(100 )i

D-e

e.(D S

350

s

Figure 4 : Modèle de calcul de l’anneau

Contrainte équivalente selon Von Mises

35,5350

s N/mm² 3,63 3.35,1²17,5² ² 3 ² éq 3,63

Vérification du calcul à l’aide de la formule de Timoshenko

37,5350

s N/mm²2,61².50.15

1,34,3.8.1316

.ext

².r

.8.P max

2,61

e

→ α=4,3 pour intext rr =2

F=P/2 F=P/2

60°

P=23341 N

60°

Félingue

58

o Bilan

Les différents calculs manuels vérifient la tenue mécanique de l’outillage par rapport à la directive de

construction.

59

o ANALYSE par EF PRO/MECHANICA o Description de la modélisation

Une analyse par éléments finis a également été réalisée afin de valider le dispositif. Pour cela, la face inférieure

de l’assemblage a été totalement bloquée. L’effort du godet, localisé dans le V de la structure, est modélisé

suivant plusieurs hypothèses.

Actions Efforts Moments

x y z x y z

Poids du godet 0 -1,618e6 N 0 0 0 0

Actions Translation Rotation

x y z x y z

Blocage (Face de dessous de la structure) 0 0 0 0 0 0

Nous avons supposé pour cette analyse par éléments finis différentes hypothèses de contact :

contact surfacique sur la paroi inclinée

contact linéaire au milieu de la paroi inclinée (correspondant aux sollicitations d’une pelle chouleur)

contact exercé par les dents du godet (correspondant aux sollicitations d’une pelle retro)

Les résultats des différentes analyses sont présentés ci-dessous.

o Contact surfacique sur la paroi inclinée

Figure : Hypothèse 1-Modélisation des contraintes sous Pro-Mechanica

Figure 6 : Hypothèse 1-Résultat de l’analyse par éléments finis

On constate que la structure est soumise à des contraintes supérieures à 120 MPa (σmax =170 N/mm²). Ces valeurs très

ponctuelles correspondent à des pressions de contact. Pour ce type de contrainte locale et superficielle, un coefficient

s’> 1 par rapport à la pression superficielle admissible (PG=760N/mm²) est suffisant.

Hormis ces pressions locales, les contraintes dans la matière ne dépassent pas 75 N/mm² (s>3).

60

o Contact linéaire au milieu de la paroi inclinée


Figure : Hypothèse 2-Résultat de l’analyse par éléments finis

L’analyse montre l’existence de pressions de contact atteignant 280MPa. Comme indiqué précédemment la limite

retenue pour ce type de sollicitation est de 760 MPa.

On constate sur la coupe verticale que ces contraintes sont très locales et que dans la matière la contrainte ne dépasse

pas 75 MPa.

La tenue mécanique de la structure est bonne.

o Contact exercé par les dents du godet


σmax =280 N/mm²

61

Figure : Hypothèse 3-Résultat de l’analyse par éléments finis

Même remarque que précédemment :

-Les pressions de contact ne dépassent pas la limite admissible de 760 Mpa (σmax= 280 MPa).

-Les contraintes dans la matière (voir coupe verticale ci-dessus) ne dépassent pas 90 MPa. Le coefficient de sécurité de

3 est ainsi respecté.

Même dans le cas le plus critique les valeurs de contrainte ne dépassent pas la limite élastique de 360MPa

Pression de contact

σmax =280 N/mm²

62

o Bilan

La tôle de l’outillage est sollicitée comme présenté dans le calcul manuel, soumise à de la flexion et de la

compression. Les contraintes ne dépassent pas la contrainte critique σ =120 N/mm² hormis sous forme de

pression de contact.

Ces pressions superficielles, dont la valeur maximale est σmax = 280 MPa (voir fig. 11), restent néanmoins

inférieures à la limite admissible Pg=760N/mm².

Le calcul par élément fini est globalement plus défavorable que le calcul manuel. D’après les résultats

précédents, les pièces ont une tenue mécanique correcte.

o CONCLUSION

Les calculs de la tenue de l’outillage dédié à la translation du godet lors du levage de la tourelle, avec les

hypothèses de géométrie et de chargement décrits dans ce document, qu’ils soient manuels ou par éléments finis

conduisent aux conclusions suivantes :

- les contraintes sont admissibles ;

- les pièces ont une tenue mécanique correcte en regard des critères d’acceptation imposés par la directive de

construction LFR 16.00.

Tableau récapitulatif des coefficients de sécurité

Structure mécano-soudé

Contraintes

(s > 3)

Pression de

contact

(s > 1)

Coefficient de sécurité par

rapport à la directive CE 3,81 3,36

Coefficient par rapport à directive

de construction LFR 16.00 3,05 2,69

Documents

Etude et développement d’un groupe hydraulique pour …eprints2.insa-strasbourg.fr/788/1/MIQ5_-_2011_-_MARMILLOD... · A l’ensemble du personnel de l’usine LIEBHERR de Colmar