Mémoire de Projet de Fin d’Etudeseprints2.insa-strasbourg.fr/2855/1/Memoire_PFE_KAVAZIAN_GM5.pdf · Soutenance : Septembre 2017 ... La période de stage s’est déroulée au sein

Mémoire de Projet de Fin d’Etudes

Conception d’un concasseur pour échantillonnage

de clinker

KAVAZIAN Anthony

INSA de Strasbourg

Génie Mécanique

Année universitaire 2017

Stage du 31 janvier au 14 juillet 2017

ITECA SOCADEI SAS

445 Rue Denis Papin

Europôle de l’Arbois

CS 30478

13592 Aix-en-Provence CEDEX 3

Maître entreprise de stage : Thierry SALAVAGIONE

Maître INSA de stage : Hicham CHIBANE

KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3

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PROJET DE FIN D’ETUDES

Auteur : KAVAZIAN Anthony Promotion : 2017

Titre : Création d’une gamme de concasseurs

en ligne adaptée à l’échantillonnage

spécifique de la gamme produit d’ITECA.

Soutenance : Septembre 2017

Structure d’accueil : ITECA SOCADEI Aix-en-Provence

Nb de volume(s) : 1 Nb de pages : 46

Nb de références bibliographiques : 6

Résumé : Le Projet de Fin d’Etudes s’est effectué au sein du Bureau d’Etudes du service mécanique d’ITECA SOCADEI à Aix-en-Provence. Le projet consiste à concevoir un concasseur à mâchoire adapté aux besoins de l’entreprise pour le remplacement de celui jusqu’alors acheté et installé dans les lignes d’échantillonnage pour l’analyse du clinker, en cimenterie. Le concasseur utilisé, le BB200 de RETSCH est conçu pour une utilisation en laboratoire, ainsi il faut adapter la technologie de fragmentation aux besoins plus spécifiques de ces installations cimentière. La première partie du projet comprend l’analyse du besoin et l’état de l’art pour la validation d’une architecture répondant au cahier des charges défini. Dans un second temps, le projet permet l’étude théorique de la technologie et de la cinématique nécessaire au concasseur à mâchoires à concevoir. Enfin, la conception du système et la recherche des fournisseurs des pièces spécifiques représente la dernière partie du projet. Ainsi, à l’issu du projet, la conception réalisée réponds au cahier des charges défini par l’analyse du besoin. Seul le prix de revient dépasse l’objectif fixé. Ainsi, la suite du projet sera soit de décider du lancement en fabrication d’un prototype soit de redéfinir le besoin et modifier le cahier des charges.

Mots clés : Définition du besoin, Conception, Modélisation CAO, Calculs mécaniques, Dimensionnements mécaniques, Calculs éléments finis, Mise en plan

Traduction : The Project took place at ITECA SOCADEI’s, Aix-en-Provence, Engineering department in the mechanical department. The project’s goal is to design a jaw crusher that is fitted to the company technical requirements, which is to replace the jaw crusher currently installed in ITECA SOCADEI’s online sampling in cement plants for clinker analysing. RETSCH’s BB200, the currently used jaw crusher in those sampling installations is specially designed for laboratories. Hence, the technology must be adapted to meet the technical requirements of these online sampling installations. First, the project defines the need and the state of the art in order to choose a design that meets the technical requirements. Second, the project develops the fundamentals theoretical aspects such as kinematic studies that constraint the jaw crusher design. Finally, the design and the research of special parts suppliers concludes the project. At the end of the project, the design was made and meets the technical requirements except the cost price, which is higher that the targeted cost price. That is why, the future developments of the project will be to either choose to manufacture this design’s prototype or redefine the technical or financial requirements.


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I. Introduction

Ce Projet de Fin d’Etudes (PFE) achève la formation d’Ingénieur Génie Mécanique

que j’ai suivi à l’INSA de Strasbourg. J’ai eu l’opportunité d’effectuer cette période de

stage de 6 mois au sein de l’entreprise ITECA SOCADEI, à Aix-en-Provence.

ITECA SOCADEI est une entreprise qui conçoit et fabrique des échantillonneurs,

des analyseurs en ligne de contrôle de processus de fabrication, des laboratoires

automatiques centralisés, des joints de four ainsi que des trieuses de boulets de

broyage pour les industries cimentière et minière. Ainsi que des analyseurs de couleur

en ligne et capteurs pour l’ensemble de l’industrie du vrac solide (sucre, carbonate de

calcium, chimie …).

La période de stage s’est déroulée au sein du Bureau d’Étude du Service

Mécanique de l’entreprise comptant deux techniciens et un responsable du Bureau

d’Étude (tuteur industriel).

Les objectifs du projet définis par la fiche du PFE sont :

Concevoir un concasseur adapté au besoin de l’entreprise pour son application

dans les lignes d’échantillonnage du clinker en cimenterie en relation avec le Bureau

d’Étude du service Électricité et Automatisme et du Bureau Fabrication et Méthodes par

la réalisation des tâches suivantes :

- Réalisation de l’avant-projet

o Analyse du besoin

o État de l’art

o Architectures fonctionnelles

- Réalisation Projet

o Réalisation d’études de dimensionnement cinématique, mécanique

o Réalisation d’un modèle CAO du concasseur et plan d’ensemble

o Recherche de fournisseurs pour les pièces spécifiques


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II. Remerciements

Tout d’abord, je tiens à remercier M. Thierry SALAVAGIONE, responsable du Bureau

d’Étude Mécanique et tuteur industriel ainsi que M. Philippe LEPORCQ, responsable du

Service Mécanique pour leur disponibilité, leur pédagogie et de la confiance qu’ils m’ont

accordées pendant la réalisation de ce projet.

Je tiens à remercier M. Hicham CHIBANE, tuteur INSA, pour ses conseils, son suivi et

son soutien tout au long de cette période de formation.

Je remercie également M. Anis HAIDER, président d’ITECA SOCADEI, ainsi que

l’ensemble des collaborateurs d’ITECA SOCADEI pour m’avoir chaleureusement accueilli

et aidé dans mes missions.


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III. Table des matières

I. Introduction ................................................................................................................................ 3

II. Remerciements ........................................................................................................................... 4

III. Table des matières .................................................................................................................. 5

I. Présentation de l’entreprise ....................................................................................................... 7

1. Activité d’ITECA SOCADEI ........................................................................................................ 7

2. Historique ................................................................................................................................ 7

3. Marchés et produits ................................................................................................................ 8

4. Service mécanique ................................................................................................................ 10

II. Présentation du Projet de Fin d’Études .................................................................................... 11

1. Contexte du projet ................................................................................................................ 11

1.1. Processus d’échantillonnage ......................................................................................... 11

1.2. Objectifs du Projet de Fin d’Études ............................................................................... 11

2. Analyse fonctionnelle ............................................................................................................ 13

2.1. Analyse du besoin ......................................................................................................... 13

2.2. État de l’art .................................................................................................................... 16

3. Étude et modélisation mécanique du système ..................................................................... 19

3.1. Étude cinématique ........................................................................................................ 19

3.1.1. Paramétrage du modèle ....................................................................................... 20

3.1.2. Équations régissant l’angle de la mâchoire mobile .............................................. 21

3.1.3. Équations régissant la vitesse de rotation de la mâchoire ................................... 21

3.1.4. Accélération angulaire de la mâchoire ................................................................. 21

3.1.5. Étude d’un point de la mâchoire ........................................................................... 22

3.1. Étude statique et dynamique ........................................................................................ 23

4. Conception du système ......................................................................................................... 24

4.1. Choix et dimensionnement de l’architecture cinématique .......................................... 24

4.1.1. Choix de l’architecture cinématique ..................................................................... 24

4.1.2. Dimensionnement de l’architecture choisie ......................................................... 26

4.2. Dimensionnement des principales pièces mécaniques ................................................ 30

4.2.1. Dimensionnement de la puissance du moteur ..................................................... 31

4.2.1. Conception du bâti et des plaques de blindage .................................................... 33

4.2.2. Dimensionnement des mâchoires et du porte-mâchoire ..................................... 34


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4.2.3. Dimensionnement de l’arbre excentrique ............................................................ 38

4.2.4. Dimensionnement de la bielle .............................................................................. 39

4.2.5. Dimensionnement du volant d’inertie .................................................................. 39

III. Bilan technique ..................................................................................................................... 42

1. Bilan d’avancement du projet ............................................................................................... 42

2. Mise en perspective des travaux réalisés ............................................................................. 43

IV. Conclusion personnelle ......................................................................................................... 44

V. Table des légendes et des tableaux : ........................................................................................ 45

VI. Bibliographie, ressources, documents de référence. ........................................................... 46


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I. Présentation de l’entreprise

1. Activité d’ITECA SOCADEI

ITECA SOCADEI est une entreprise, comptant plus de 65 employés, spécialisée dans la fabrication d’instrumentation scientifique et technique pour un large panel de différentes industries tel que l’industrie cimentière, minière, métallurgique, chimique, sucrière, agroalimentaire.

Les activités principales de l’entreprise sont l’instrumentation et le transport de matières. Cependant, la part d’activité portant sur la conception et la fabrication de machines spéciales progresse, notamment dans le domaine cimentier.

La société compte environ 85% de parts de marché à l’international avec près de 30 ans

d’expérience. De plus, ITECA SOCADEI possède des filiales en Inde et aux États-Unis. Ainsi

qu’un réseau d’agents et de références sur tous les continents. Ainsi, son ouverture sur

l’international lui permet d’obtenir une source importante et variée de marchés liés à la

cimenterie à l’instar de l’activité cimentière nationale permettant également la diversification de

la gamme de produits de l’entreprise.

Figure 1 : Ouverture à l’international de l’entreprise

ITECA SOCADEI fait appel à un ensemble de sous-traitants, principalement locaux, pour la

fabrication des pièces composants les produits commercialisés. L’assemblage est réalisé dans

les locaux de l’entreprise. Le montage final sur site est également effectué par les metteurs en

service de l’entreprise

2. Historique

ITECA SOCADEI était un bureau d’études du département Matériel du Groupe LAFARGE (Lafarge Conseils et Etude) qui avait déjà pour mission la fabrication de capteurs et d’analyseurs en ligne.

Sous le nom d’ITECA (Innovation Technologie Ensemblier Capteur Automatisme) en 1985, ses actionnaires principaux étaient LAFARGE COPPEE (producteur mondial de ciments) et HASLER (groupe suisse spécialisé dans le pesage dosage).

Depuis 1992, la société a été reprise par l’actuel dirigeant, M. Anis HAIDER qui, dès 1993, procéda à une augmentation de capital de 45 000 euros. Après une période de réorganisation visant à ouvrir l’entreprise à de nouveaux marchés, ITECA connaît une phase de croissance régulière fortement orientée vers l’export.


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En 1999, ITECA change de nom suite à un problème juridique, car une autre société avait déposé le même nom. Elle se nomme depuis ITECA SOCADEI (Société d’Approvisionnement et de Développement Industriel).

En 2002, ITECA SOCADEI ajoute à son catalogue une nouvelle activité : la mesure de

couleurs en ligne. L’entreprise est devenue une PME en augmentant son nombre de salariés à

plus de 50 personnes.

En 2014, ITECA SOCADEI rachète l’entreprise SODEMI avec ses stocks et ses

connaissances.

3. Marchés et produits

Figure 2 : Principaux domaines d’activités industrielles

ITECA SOCADEI travaille essentiellement pour de grands groupes cimentiers nationaux et

internationaux tels que :

En ce qui concerne les industries cimentières et minières, ITECA SOCADEI conçoit et fabrique des échantillonneurs, des analyseurs en ligne de contrôle de processus de fabrication, des laboratoires automatiques centralisés, des joints de four ainsi que des trieuses de boulets de broyage.

L ciment est classiquement composé de 80 % de calcaire et 20 % d’argile. Les deux éléments sont broyés, mélangés (cru) puis cuits à très haute température (1500°C). Le résultat de la cuisson (clinker) est à nouveau broyé. Lors du broyage du clinker, des ajouts peuvent être faits pour optimiser les caractéristiques de prise et les caractéristiques mécaniques du ciment.

Ainsi, en cimenterie, des installations permettant le contrôle de la composition du ciment et donc de sa qualité sont aménagées par ITECA SOCADEI. Ce contrôle continu de la qualité du ciment produit permet la correction des paramètres de production. Cela permet d’éviter au cimentier de produire un ciment de mauvaise qualité non commercialisable, mais aussi d’ajuster l’énergie utilisée par la cuisson du ciment et d’ainsi réaliser des économies importantes.

Par ailleurs, il est possible d’isoler le four d’une cimenterie pour améliorer sa productivité, ceci par un meilleur contrôle de la température de cuisson du clinker. En installant un joint de four, on améliore la reproductibilité de la composition du clinker fabriqué tout en réalisant des économies d’énergie par la réduction de déperditions thermiques importantes.

Enfin, dans la phase de broyage du clinker, le broyeur est composé d’un tambour rotatif rempli au tiers de son volume par des boulets d’acier. Chaque année, lors de la maintenance,

Figure 3 : Principaux groupes de clients


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le broyeur est vidé de ses boulets qui sont triés afin de retirer les boulets cassés par usure. ITECA SOCADEI fabrique des trieuses de boulets réalisant cette opération.

ITECA SOCADEI conçoit, fabrique et commercialise également des capteurs et détecteurs industriels pour la détection de niveau, de position, de rotation, de bruits… Ces capteurs et détecteurs sont répertoriés et standardisés auprès de nombreux industriels manipulant des poudres notamment dans l’agroalimentaire, la chimie, la cimenterie, la pharmacie et la transformation.

Par ailleurs, ITECA SOCADEI produit des analyseurs de couleur en ligne de processus de fabrication et des capteurs spécifiques à l’industrie du vrac solide (sucre, carbonate de calcium, chimie …).

En ce qui concerne l’échantillonnage, le bureau d’étude réalise des prestations depuis l’étude de faisabilité jusqu’à la réalisation d’équipements de transports mécaniques, pneumatiques, de granulés ou de poudres, le stockage, l’extraction, le pesage, le dosage, le conditionnement, sous différentes formes (sac, citerne…)

Figure 4 : Capteur micro-onde (a), colobserveur (b), préleveur (c), trieuse de boulets (d), joint de fours (e)

ITECA SOCADEI compte deux concurrents directs : Thyssenkrupp Industrial Solutions et

FLSMIDTH. Ces concurrents se placent également dans le domaine cimentier. Thyssenkrupp

Industrial Solutions fabrique par exemple des systèmes de transport et dosage, de broyage,

d’échantillonnage pour les cimenteries. FLSMIDTH concurrence ITECA par des solutions de

prélèvement, d’échantillonnage, de broyage et d’analyse dans le même domaine.

a b c

d e


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4. Service mécanique

Le service mécanique réalise différentes activités : la conception et l’implantation de

machines spéciales, le montage et les tests, la mise en route sur site, la réparation et la

maintenance sur site, et le service après-vente.

Pour cela, le service compte 10 salariés : un responsable du service mécanique et

coordinateur d’affaires, un responsable du bureau d’étude (mon tuteur industriel), cinq chargés

d’affaires, deux techniciens du bureau d’étude et un ingénieur stagiaire (moi-même).

Tous les services de l’entreprise sont en relation pour l’étude d’un nouveau projet afin de

décider des grands axes ainsi que des délais. Une fois le projet lancé, les bureaux d’études

travaillent sur la partie du projet qui leur est propre. Un lien privilégié est alors mis en place entre

le bureau d’étude mécanique et le bureau d’étude électrique pour développer techniquement le

projet et effectuer la mise en service.

Les liens avec les commerciaux s’orientent vers la définition du cahier des charges, le besoin

des clients et la résolution des problèmes rencontrés sur le fonctionnement des appareils.

Ainsi, c’est au sein du bureau d’étude du service mécanique que j’ai pu mener mon projet

tout en collaboration avec les différents autres services de l’entreprise tel que le bureau d’étude

électricité et automatisme, le bureau méthode et fabrication, le service commercial et le service

après-vente.


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II. Présentation du Projet de Fin d’Études

1. Contexte du projet

1.1. Processus d’échantillonnage

Dans le domaine cimentier et minier l’entreprise installe des lignes d’échantillonnage aussi

appelées tours d’échantillonnage. L’échantillonnage est le préalable incontournable à toute

caractérisation des poudres ou procédures de fabrication. Il est en général impossible de

caractériser une poudre en vrac ou un courant de procédé dans son entièreté, aussi un

échantillonnage est pratiqué pour obtenir des échantillons qui sont représentatifs d’une certaine

propriété.

Ainsi, dans le but de rendre l’échantillon représentatif de l’ensemble du lot produit à analyser,

les processus d’échantillonnage doivent respecter un ensemble de règles définies par la théorie

de l’échantillonnage.

Dans le cas des cimenteries, le but est d’analyser la composition du clinker pour contrôler

la qualité du ciment produit. À la fin de la cuisson du clinker, en sortie du four, un préleveur est

installé pour prélever une partie du flux de production.

Ce prélèvement est ensuite échantillonné par différentes étapes qui dépendent de la

quantité et de la granulométrie du clinker prélevé. Pour obtenir l’échantillon à partir d’un produit

de grande dimension et de grande quantité, les règles d’échantillonnage imposent des

réductions de la granulométrie du clinker (fragmentation du produit), ainsi que des divisions de

la quantité du prélèvement (élimination d’une partie du prélèvement) successives jusqu’à

l’obtention d’un échantillon de la quantité et de la granulométrie désirée pour l’analyse.

Ce PFE se situe dans la tour d’échantillonnage du clinker lors d’une étape de réduction de

la granulométrie du produit. Dans les tours actuellement installés, un concasseur à mâchoires

du modèle BB200 fabriqué par la société VERDER est utilisé pour répondre au besoin.

Cependant, la machine, normalement prévue pour une utilisation en laboratoire, est trop

onéreuse du fait de la précision de fabrication trop élevée et mal adaptée aux besoins de

l’application utilisée par ITECA SOCADEI. C’est pourquoi, l’entreprise souhaite concevoir et

fabriquer un concasseur répondant au mieux à son besoin, sans performances superflue. Ce

projet représente ainsi l’opportunité d’une recherche et d’un développement d’une technologie

de fragmentation propre à l’entreprise également déclinable dans ses autres domaines

d’activités, par exemple dans le domaine minier.

1.2. Objectifs du Projet de Fin d’Études

L’objectif principal du projet est de concevoir un concasseur adapté au besoin de

l’entreprise pour son application dans les lignes d’échantillonnage du clinker en cimenterie

en relation avec le Bureau d’Étude du service Électricité et Automatisme et du Bureau

Fabrication et Méthodes par la réalisation des tâches suivantes :

- Réalisation de l’avant-projet

o Analyse du besoin

o État de l’art

o Architectures fonctionnelles


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- Réalisation Projet

o Réalisation d’études de dimensionnement cinématique, mécanique

o Réalisation d’un modèle CAO du concasseur et plan d’ensemble

o Recherche de fournisseurs pour les pièces spécifiques.

2. Analyse fonctionnelle

2.1. Analyse du besoin

La première tâche à mener est la définition, la quantification et validation d’un cahier des

charges pour le concasseur à concevoir. La grande difficulté de cette définition vient du fait de

l’intérêt de la compatibilité de la future machine avec les différents domaines d’application et

d’utilisation de l’entreprise.

Le concasseur doit remplir une fonction de réduction granulométrique sur un échantillon au

sein de la ligne d’échantillonnage (FP1). En effet, au cours du processus d’échantillonnage, des

réductions granulométriques successives sont nécessaires afin de pouvoir diviser un certain

nombre de fois l’échantillon en vue de son analyse.

Les fonctions de contraintes (FC) représentent des exigences appliquées à la machine en

fonction de son domaine ou environnement d’utilisation et certains choix stratégiques.

Figure 5 : Diagramme des interacteurs du concasseur

Ces fonctions de contraintes proviennent principalement du milieu d’implantation du

concasseur et de la fonction globale de la tour d’échantillonnage. Nous allons décrire les

contraintes les plus critiques qui ont permis la définition du cahier des charges.

Pour permettre un bon déroulement de l’échantillonnage, il faut minimiser les pertes de

matière dans la ligne d’échantillonnage, mais aussi les pollutions du prélèvement, car celui-ci

doit rester représentatif du produit prélevé. Ainsi, les principales contraintes du concasseur sont

de limiter :

- Les pertes et retenues de matières dans le concasseur

- La pollution du produit concassé par l’environnement extérieur au concasseur

- La pollution entre les éléments du concasseur et le produit

Par ailleurs, les lignes d’échantillonnages sont des tours dont le transfert entre les différentes

étapes de division et réduction granulométrique se fait de façon gravitaire. Ainsi, la dimension


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verticale est importante, on préfèrera concevoir la machine la plus compacte possible dans cette

direction afin de limiter l’encombrement de la tour.

Le clinker est issu d’un four où la matière est en fusion et le voisinage de la position du point

de prélèvement implique une température très élevée. C’est pourquoi les préleveurs sont

protégés contre ces hautes températures par des pièces en matériaux réfractaires et des

systèmes de refroidissement par circulation d’air. Ces dispositifs permettent une diminution

significative de la température du clinker avant son arrivée dans le concasseur à une valeur

inférieure à 250°C. À une telle température, le produit est sec et donc d’une humidité à cœur et

superficielles nulles.

Il faut noter que le produit à concasser est assez méconnu. En effet, le clinker ne représente

pas un produit fini en soi, ainsi nous ne connaissons que sa dureté sur l’échelle de Mohs (échelle

spécifique aux minéraux) l’ordre de grandeur de sa masse volumique ainsi que sa composition

chimique obtenus par l’analyse après la tour d’échantillonnage.

De plus, la conception du concasseur doit pouvoir s’adapter aux trémies d’alimentation et

d’évacuation du produit en amont et en aval de la machine. Dans la même idée, afin d’éviter de

démonter l’ensemble de l’installation entourant le concasseur, sa conception doit permettre le

montage et le démontage d’une ou des parties de la machine indépendamment de la ligne (sans

enlever les éléments en connexion, trémies notamment). Par ailleurs, en cas de bourrage dû à

de la matière bloquée dans la chambre de concassage, le débourrage doit être facilité de

manière à pouvoir être exécuté en une durée inférieure à deux heures.

Par ailleurs, des contraintes importantes résident dans le choix des mâchoires à adopter.

En effet, pour garantir la résistance et limiter l’usure de la mâchoire, sa conception est le plus

souvent faite par fonderie. Cependant, une pièce de fonderie représente un investissement

important dans la fabrication de moules. Ainsi, il sera intéressant de se rapprocher des

mâchoires déjà fabriquées sur le marché actuel et si le choix possible ne correspond pas au

besoin, il faudra investir dans la fabrication de moules pour la fabrication par fonderie.

Le concasseur sera donc installé en milieu industriel cimentier ou minier, au sein d’une ligne

d’échantillonnage ; ainsi les conditions d’installation sur site sont définies par le cahier des

charges. Enfin, le concasseur doit respecter un ensemble de normes concernant les fabricants

de machines, les équipements électriques et le cycle de vie complet du produit jusqu’à son

recyclage. Ainsi qu’un ensemble de standards concernant les moteurs et équipements

électriques.

Afin de mieux comprendre le cahier des charges suivant, notons que D80 et d80 indiquent

que 80 % en masse du produit passe respectivement à travers les mailles carrées de

dimensions D et d (majuscule entrée et minuscule sortie).

La dernière colonne du tableau (F) indique la flexibilité du critère concerné selon les niveaux

suivants :

F : Classes de flexibilité :

(F0) : niveau obligatoire ; — faible flexibilité

(F1) : niveau peu négociable ; — flexibilité moyenne

(F2) : niveau négociable ; — grande

flexibilité

(F3) : niveau facultatif.


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Fonctions Critères Niveau F

FP1 : Concasser le

produit au sein de la

ligne

d’échantillonnage

Granulométrie d’entrée (D95) 0 à 90 mm F1

Granulométrie de sortie (d90) 0 à 10 mm F1

Débit de concassage instantané > 20 kg/h

(pour granulométrie entrée/sortie : 40/10 mm) F0

Amplitude de réglage de la granulométrie de sortie 30 mm F1

Dureté du produit (Mohs) < 7 F0

Abrasivité du produit Très abrasif F0

Encombrement max. admissible du concasseur

(sans trémies)

Longueur : 500 mm F2

Largeur : 900 mm F2

Hauteur : 1000 mm F1

Étanchéité à l’eau et à la poussière entre l’intérieur

du concasseur et le milieu d’installation (extérieur)

IP 54

(Protection contre les dépôts de poussières et protection contre les

projections d’eau de toutes directions)

F1

Pollution du minerai (entre échantillons et par les

pièces en contact) Différence entre masse entrée et masse sortie (kg) : < 0,1% F1

Nettoyage de l’intérieur du concasseur entre deux

produits différents Nettoyage à l’air F1

Reconstitution de l’échantillon par chambre de

dosage

Module indépendant du concasseur

(chambre de dosage) F0

Température à cœur du produit (°C) au

niveau de la trémie d’entrée < 250 °C F0

Température à cœur du produit (°C) au

niveau de la trémie de sortie < 250°C F1

Intégration du concasseur dans la ligne

d’échantillonnage

Adaptabilité de l’entrée et de la sortie du concasseur par rapport à la ligne

F1

Humidité à cœur du produit 0 F1

Humidité superficielle 0 F1

FC 1 : S’adapter à

l’énergie disponible

sur site

Alimentation électrique

400 V triphasés – 50 Hz (Europe) F1

120/208 V / 277/480 V / 120/240 V / 240 V / 480 V / 500V triphasés 60 Hz (É.-U.)

F1

Réseau d’eau 2 bars F1

Réseau pneumatique 5 bars F1

FC 2 : Respecter

les normes en

vigueur

Norme de sécurité pour fabricants de machines NF ISO 12100 F0

Directive 2006/42/CE (marquage) F0

Norme électrique NF EN 60204-1 F0

Réglementation DEEE Directive européenne 2012/19/UE

Systèmes de management environnemental - Lignes

directrices pour incorporer l’éco-conception NF EN ISO 14006 F1

FC 3 :

S’adapter à

l’environneme

nt

d’implantation

Température du site d’installation -25°C à +45°C F1

Humidité relative ambiante 20% - 100% F1

Quantité de poussière ambiante < 500 mg/m3

F1

Poids de l’installation Non critique -

Nuisances sonores Non critique -

Installation en laboratoire Non -

FC 4 :

Faciliter la

maintenance

Maintenance préventive Temps : 6h/an F1

Débourrage de la zone de concassage Temps de débourrage < 2h F1

Pièces d’usure Démontables et remplaçables F0

FC 5 : Utiliser une

technologie à

mâchoires

Fabrication des mâchoires Sous-traitance aux fournisseurs disponible sur le marché (fondeurs) F2

Matériaux des mâchoires Différent du produit échantillonné pour éviter la pollution du produit F0

FC 6 : Respecter un budget imposé

Prix de revient 4000 € F1

Figure 6 : Cahier des charges fonctionnel


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2.2. État de l’art

Les concasseurs sont des machines permettant la fragmentation d’un produit. Le

domaine de la fragmentation est vaste. Il est composé de la fragmentation grossière, fine

et ultrafine en milieu sec ou humide.

- Le préconcassage ou débitage ou concassage primaire assure la réduction des gros

blocs en produits de dimensions inférieures à 120 ou 250 mm ;

- Le concassage proprement dit ou concassage secondaire délivre des produits de

dimensions inférieures à 40 ou 80 mm à partir des précédents ;

- Le concassage tertiaire assure la réduction des produits du concassage secondaire

jusqu’à des calibres inférieurs à 15 ou 25 mm ;

- Le broyage grossier délivre des sables calibrés entre 0 et 3 mm ou 0 et 5 mm ;

- Les broyages fin et ultrafin consistent, pour le premier, à obtenir des produits inférieurs

à 500 μm et, pour le second, inférieurs à quelques dizaines de micromètres.

Figure 7 : Différents types de technologies de fragmentation

Dans chacun de ces domaines, certaines technologies sont privilégiées. Pour la

fragmentation grossière, les principales machines utilisées sont des concasseurs à

mâchoires (Figure 7a), des concasseurs à cylindres (Figure 7c), des concasseurs giratoires

(Figure 7d) et concasseurs à cône et des concasseurs à percussion (Figure 7b).

Pour toutes les autres gammes de fragmentation plus fine on utilise des broyeurs avec

ou sans corps broyant libre, des broyeurs à jet d’air (jetmills), des appareils à cuve

cylindrique et des broyeurs à rotor conique.

Pour notre application, nous nous situons dans la gamme de fragmentation grossière.

Ainsi, parmi les technologies existantes le choix de l’entreprise s’est porté sur le concasseur

à mâchoires pour un critère d’encombrement. En effet à granulométrie initiale équivalente,

selon les différentes technologies de concasseur, l’encombrement nécessaire n’est pas

comparable. Par exemple, un concasseur à cylindres nécessite des cylindres d’un diamètre

d’un ordre de grandeur trois fois supérieur à la granulométrie initiale.

a b

c d


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La chambre de concassage est constituée de deux mâchoires disposées en V dont

l’une est fixe et l’autre mobile. Cette dernière est articulée autour d’un axe horizontal qui

peut être placé à la partie supérieure ou à la partie inférieure de l’appareil. Les mâchoires

agissent entre deux plaques latérales de blindage.

Les matériaux sont concassés par compression et sont évacués par gravité. Les

nombreux appareils, conçus depuis l’apparition du premier concasseur vers 1870,

appartiennent à deux types principaux, selon le mode de transformation d’un mouvement

vertical, créé par un système excentrique ou bielle, en un mouvement de battement

périodique communiqué à la mâchoire mobile :

- les concasseurs à simple effet ou simple bielle (Figure 8a). Les battements sont obtenus par action d’un arbre à excentrique actionnant une mâchoire mobile dont la partie inférieure est rendue solidaire d’un volet.

- les concasseurs à double bielle (Figure 8b) présentent un système de bielle excentrique. Deux volets ou plaques d’articulation communiquent le mouvement à la partie inférieure de la mâchoire suspendue.

Figure 8 : Concasseur à mâchoires à simple bielle (a) et à double bielle (b)

Dans les deux types de concasseurs, la cohésion volets-mâchoires est assurée par une

barre de liaison munie d’un ressort placé à l’extérieur du bâti. L’énergie est conservée grâce

à un volant rotatif solidaire de l’arbre horizontal. L’évolution technologique des concasseurs

à mâchoires est guidée principalement par des préoccupations de capacité et de

maintenance.

En termes de capacité, elle porte sur :

- la forme de la chambre de concassage, afin d’éviter les contraintes triaxiales, les zones mortes et afin aussi d’améliorer l’angle de prise ; en conséquence, on préfère, dans les concasseurs de dernière génération, une mâchoire fixe ramenée presque à la verticale, une mâchoire mobile courbe favorisant un travail à volume constant et évitant les engorgements ;

- la modification de la position de l’axe de l’arbre excentrique, ce qui permet d’augmenter la capacité et d’admettre des blocs de plus grandes dimensions ;

- la modification du cycle, avec un mouvement lent de rappel de la mâchoire mobile et un mouvement rapide d’avance : une répartition de 40/70 augmente le débit de 20 % ;


18

- une conception plus robuste des châssis ; on est passé des châssis en fonte aux châssis en acier nervuré pourvus de plaques latérales en acier laminé résistant à l’usure.

L’évolution en termes de maintenance porte sur :

- la conception des mâchoires, tant sur le plan de la forme (courbe, droite, ondulée, etc.) que sur la réalisation en une ou deux pièces éventuellement réversibles ; les mâchoires sont en acier au manganèse ;

- les matériaux des plaques d’articulation ; ces plaques, qui constituent volontairement l’organe de rupture facilement interchangeable en cas de passage dans le concasseur d’un matériau tel que la ferraille, sont en acier au carbone et leurs extrémités en acier allié.

Figure 9 : Concasseur RETSCH BB200 utilisé actuellement, vue d’ensemble (gauche), vue en coupe (droite)

Le concasseur BB200 est un concasseur à mâchoire à simple bielle dont la mâchoire

fixe est réglable et pivote autour d’un point fixe. La réduction granulométrique annoncée

par le fabricant est de D95=90mm à d95=2mm.

Le concasseur se vend sur le marché à un prix de 16k€ et est acheté au fabricant par

ITECA SOCADEI pour un prix de 12k€. Le prix de revient choisi dans le cahier des charges

correspond à une règle de l’entreprise, ce prix devant correspondre à un tiers du prix de

vente pour pouvoir faire des bénéfices sur une machine fabriquée par ITECA SOCADEI.

En se basant sur le prix d’achat du BB200 comme prix de vente, le prix de revient du

concasseur ITECA devra être de 4k€.


19

3. Étude et modélisation mécanique du système

Afin de choisir et de dimensionner les principaux éléments mécaniques du concasseur,

il est nécessaire d’étudier sa cinématique et d’identifier les paramètres pouvant la modifier

pour répondre au cahier des charges.

3.1. Étude cinématique

Le but de l’étude cinématique de ce système est de déterminer les différentes

trajectoires, vitesses et accélérations des points de la mâchoire.

Le schéma cinématique d’un concasseur est le suivant :

Figure 10 : Schéma cinématique d’un concasseur

Ce système est donc composé de quatre solides, dont un des solides, que nous

appellerons bâti, est fixe. Les trois autres solides sont liés par les liaisons de révolutions ou

liaisons pivots en série de manière à former une boucle fermée.

D’après la classification de Grashof calculé pour un système quatre barres, il est

possible de déterminer le type de cinématique du système : bielle tournante, manivelle-

bielle oscillante, double manivelle, mécanisme à point de changement… Dans notre cas,

nous souhaitons que la manivelle (arbre excentrique) entraîne un mouvement d’oscillation

de la bielle (solide 3). Alors le critère sur les différentes longueurs est le suivant :

𝑙𝑚𝑖𝑛𝑖 + 𝑙𝑚𝑎𝑥𝑖 < 𝑙′ 𝑒𝑡 𝑙′′ où 𝑙′𝑒𝑡 𝑙′′ 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑢𝑒𝑢𝑟𝑠 𝑑𝑒𝑠 𝑎𝑢𝑡𝑟𝑒𝑠 é𝑙é𝑚𝑒𝑛𝑡𝑠


20

Si ce critère n’est pas respecté, le système n’aura pas de mobilités. Dans notre cas,

c’est l’élément de longueur 𝑙𝑚𝑖𝑛𝑖 qui effectuera une rotation complète et se comportera

comme la manivelle.

L’intérêt final du calcul est de déterminer de la force, transmissible à la matière pendant

le concassage, nécessaire à la fragmentation du produit. De plus, le mouvement de la

mâchoire doit être connu pendant une rotation complète de la barre générant le mouvement

afin de prédire la granulométrie minimale produite par la machine. Enfin, il est aussi instructif

de visualiser la nature de la trajectoire des différents points de la mâchoire en fonction de

la conception du mécanisme.

3.1.1. Paramétrage du modèle

Figure 11 : Schéma cinématique du concasseur pour le calcul

On notera 𝑥𝑖 les axes des différentes barres. De plus, les angles 𝜃𝑖 sont définit de la

manière suivante : 𝜃𝑖= (𝑥0 ; 𝑥𝑖 ), chaque angle est défini par rapport au vecteur 𝑥0 .

Notons les dimensions géométriques de la manière suivante :

‖𝑂1𝑂2 ‖ = 𝑙1 ; ‖𝑂2𝑂3

‖ = 𝑙2 ; ‖𝑂3𝑂4 ‖ = 𝑙3 ; ‖𝑂4𝑂1

‖ = 𝑙4 𝑠𝑒𝑙𝑜𝑛 𝑥4

Les données de départ pour le calcul sont la position, vitesse et accélération

respectivement 𝜃1, 𝜃1, 𝜃1 de la barre 𝑂1𝑂2, la géométrie du mécanisme et les longueurs 𝑙𝑖.


21

3.1.2. Équations régissant l’angle de la mâchoire mobile

Afin de déterminer la position du point P, il est nécessaire de calculer l’angle 𝜃2 par

rapport à 𝜃1. L’équation vectorielle de fermeture de la chaîne cinématique s’écrit :

𝑂1𝑂2 + 𝑂2𝑂3

+ 𝑂3𝑂4 + 𝑂4𝑂1

= 0

𝑙1. 𝑥1 + 𝑙2 . 𝑥2 + 𝑙3. 𝑥3 + 𝑙4. 𝑥4 = 0

Adoptons les notations suivantes pour simplifier les écritures trigonométriques :

cos 𝜃𝑖 = 𝐶𝑖 et sin𝜃𝑖 = 𝑆𝑖 et en projetant dans le repère fixe (𝑥0 , 𝑦0 ) :

{𝑙1. 𝐶1 + 𝑙2. 𝐶2 + 𝑙3. 𝐶3 + 𝑙4. 𝐶4 = 0 (1)𝑙1. 𝑆1 + 𝑙2. 𝑆2 + 𝑙3. 𝑆3 + 𝑙4. 𝑆4 = 0 (2)

On obtient deux équations à deux inconnues pour chacune des valeurs de 𝜃1.

3.1.3. Équations régissant la vitesse de rotation de la mâchoire

En dérivant le système d’équations régissant la position, nous obtenons les équations

de vitesses suivantes. Notons 𝜔𝑖 =𝑑𝜃𝑖

𝑑𝑡, et écrivons les équations obtenues sous forme

matricielle :

[𝑙2. 𝑆2 −𝑙3. 𝑆3

𝑙2. 𝐶2 𝑙3. 𝐶3] [

𝜔2

𝜔3] = [

𝑙1. 𝑆1. 𝜔1

−𝑙1. 𝐶1. 𝜔1]

3.1.4. Accélération angulaire de la mâchoire

En dérivant le système d’équations régissant la position, nous obtenons les équations

de vitesses suivantes. Notons 𝛼𝑖 =𝑑2𝜃𝑖

𝑑𝑡2 , et écrivons les équations obtenues sous forme

matricielle :

[𝑙2. 𝑆2 −𝑙3. 𝑆3

𝑙2. 𝐶2 𝑙3. 𝐶3] [

𝛼2

𝛼3] = [

𝑙1. 𝑆1. 𝛼1 + 𝑙1. 𝐶1. 𝜔12 + 𝑙2. 𝐶2. 𝜔2

2 + 𝑙3. 𝐶3. 𝜔32

𝑙1. 𝐶1. 𝛼1 − 𝑙1. 𝑆1. 𝜔12 + 𝑙2. 𝑆2. 𝜔2

2 + 𝑙3. 𝑆3. 𝜔32 ]

Nous obtenons deux équations non linéaires à deux inconnues. Nous pouvons donc

utiliser une méthode numérique de calcul tel que la méthode de Newton-Raphson

permettant de trouver une valeur approchée de la solution.

La méthode utilise une linéarisation des équations non linéaires par des séries de

Taylor, puis une résolution des équations linéarisées. Cette méthode est utilisée

itérativement jusqu’à trouver une bonne approximation de la solution.

Équation linéarisée : 𝑓(𝑥) +𝑑𝑓

𝑑𝑥 𝛥𝑥 = 0

Calcul itératif par Newton-Raphson : Δ𝑥 = −𝑓(𝑥)/ (𝑑𝑓

𝑑𝑥) en incrémentant 𝑥 + Δ𝑥 → 𝑥 .

Ainsi, en opérant successivement pour chaque valeur de 𝜃1, nous pouvons calculer les

angles pour une rotation complète de la manivelle d’entrée.


22

On peut également utiliser cette méthode pour les autres systèmes d’équations calculés

pour les vitesses et les accélérations des différents solides.

C’est ce que font les logiciels de CAO (Conception Assistée par Ordinateur) lorsque l’on

modélise par ordinateur un système quatre barres pour calculer les valeurs des angles en

fonction des différents paramètres de longueurs et d’angles du système permettant

d’animer une rotation complète du système.

3.1.5. Étude d’un point de la mâchoire

Dans le repère (01; 𝑥0 ; 𝑦0 ), nous pourrons étudier les mouvements de différents points

sur la mâchoire pour différentes coordonnées.

Figure 12 : Schéma cinématique avec le point P

Notons le point P, le point d’intérêt du mécanisme, un point solidaire de la mâchoire et

défini tel que :

Notons 𝐿𝑃 = √𝑥𝑝22 + 𝑦𝑝2

2 où 𝑥𝑝2 et 𝑦𝑝2

sont les coordonnées du point P dans le repère

lié au solide 2 et 𝜃𝑝 = (𝑥2 , 𝑂2𝑃 ).

𝑂2𝑃 = 𝐿𝑃 . (cos 𝜃 . 𝑥2 + sin𝜃 . 𝑦2 )

𝑂1𝑃 = 𝑂1𝑂2 + 𝑂2𝑃

𝑂1𝑃 = 𝑙4. (𝐶4. 𝑥0 + 𝑆4. 𝑦0 ) + 𝑙1. (𝐶1. 𝑥0 + 𝑆1. 𝑦0 ) + 𝐿𝑃 . (𝐶1+𝜃𝑝. 𝑥0 + 𝑆1+𝜃𝑝

. 𝑦0 )

Maintenant que nous avons pu calculer les différentes positions angulaires des

différents solides du mécanisme, nous pouvons déterminer les vecteurs position, vitesse et

accélération du point P d’intérêt.

{𝑥𝑃 = 𝑙4. 𝐶4 + 𝑙1. 𝐶1 + 𝐿𝑃 . 𝐶1+𝜃𝑝

𝑦𝑃 = 𝑙4. 𝑆4 + 𝑙1. 𝑆1 + 𝐿𝑃 . 𝑆1+𝜃𝑝


23

{𝑥�� = 𝑉𝑃𝑥 = −𝑙1. 𝑆1. 𝜃1 − 𝐿𝑃 . 𝑆1+𝜃𝑝

. ��1+𝜃𝑝

𝑦�� = 𝑉𝑃𝑦 = 𝑙1. 𝐶1. 𝜃1 + 𝐿𝑃 . 𝐶1+𝜃𝑝. ��1+𝜃𝑝

{𝑥�� = 𝑉𝑃𝑥 = −𝑙1. 𝑆1. ��1 − 𝐿𝑃 . 𝐶1+𝜃𝑝

. ��1+𝜃𝑝

𝑦�� = 𝑉𝑃𝑦 = 𝑙1. 𝐶1. ��1 + 𝐿𝑃 . 𝐶1+𝜃𝑝. ��1+𝜃𝑝

Grâce aux valeurs calculées précédemment en position, vitesses et grâce à des

conditions initiales connues, il est possible de calculer les vecteurs position, vitesse et

accélération du point d’intérêt pour une rotation complète de la manivelle (excentrique).

Le logiciel de CAO utilisé par l’entreprise est INVENTOR de la suite Autodesk. Grâce à

ce logiciel, j’ai pu effectuer ces calculs cinématiques en modélisant un système quatre

barres. C’est ainsi que j’ai pu effectuer les études me permettant de choisir et dimensionner

le système. Cependant, j’ai pu également résoudre les équations développées

précédemment grâce au logiciel MATLAB pour vérifier les résultats des simulations

INVENTOR. Les résultats sont comparables et m’ont permis de valider les modélisations

et les résultats des études issues du logiciel de CAO.

3.1. Étude statique et dynamique

Les équations statiques et dynamiques régissant le système sont obtenues à l’aide

d’isolation de chacun des solides du système et de l’application des théorèmes

fondamentaux de la statique et de la dynamique de façon itérative. L’ensemble de ces

calculs sont développés dans le rapport de calculs de l’Annexe 1.3 du rapport d’annexe.

De la même manière que pour les calculs cinématiques, le logiciel INVENTOR permet,

par simulation de la modélisation du concasseur, le calcul statique et dynamique du

système permettant le choix et le dimensionnement. Enfin, j’ai pu comparer et valider les

résultats de la simulation avec les résolutions des équations obtenues par MATLAB.


24

4. Conception du système

4.1. Choix et dimensionnement de l’architecture cinématique

4.1.1. Choix de l’architecture cinématique

Nous allons présenter ici, plusieurs architectures permettant de remplir les fonctions

nécessaires au concassage et le choix effectué de l’architecture du concasseur :

Figure 13 : Schéma cinématique des architectures 1, 2, 3 et 4

Les architectures ici présentées comportent toutes une mâchoire fixe, une mâchoire mobile, une génération de mouvement excentrique et un système de réglage de l’ouverture à la sortie. La fonction principale est de contraindre le produit entre deux mâchoires en compression jusqu’à la rupture de celui-ci.

3 4

2 1


25

La fonction est réalisée par une mâchoire fixe et une mâchoire mobile qui effectue un

mouvement de va-et-vient contre la mâchoire fixe. Une des deux mâchoires doit être

inclinée de manière à réduire successivement la granulométrie du produit et permettre

l’écoulement de la matière. Notons que, par la nature de la trajectoire, le produit concassé

subit également du cisaillement dû au mouvement vertical de la mâchoire mobile.

L’architecture n°1 a été choisie avant la conception pour plusieurs raisons :

- La génération du mouvement excentrique se fait en haut de la mâchoire

mobile. Ceci a pour conséquence d’entraîner le produit vers le bas et de le diriger

vers la mâchoire fixe. Contrairement à l’architecture n°3 qui entraîne le bas de

mâchoire mobile dans un mouvement de manivelle. Ce mouvement étant dirigé vers

le haut, il entraîne l’éjection du produit vers le haut de la chambre de concassage et

du concasseur. L’architecture cinématique n°1 correspond au fonctionnement de la

plupart des machines industrielles de grandes capacités installées dans les mines

et les cimenteries.

- Le système de réglage de l’ouverture à la sortie est situé sur la mâchoire

mobile. Ceci permet de garder une mâchoire fixe verticale et solidaire du bâti par

encastrement. Cette conception est plus robuste que celle (architecture n°2) dont la

mâchoire fixe est réglable. L’architecture n°2 correspond au fonctionnement

cinématique du concasseur BB200 actuellement installé dans les lignes

d’échantillonnage.

Dans l’architecture choisie, le solide 1 représente l’arbre excentrique moteur, le solide

2 le porte-mâchoire où est fixée la mâchoire mobile, le solide 3 la bielle et le solide 4 le bâti.

Le réglage de la mâchoire mobile permet d’ajuster l’ouverture à la sortie en fonction de

l’usure des mâchoires. Cependant, le réglage ne sera pas effectué à une fréquence

importante.

Ainsi, l’architecture n°1 présente la possibilité de régler l’ouverture à la sortie sans que

ce réglage ne soit fait sur la mâchoire fixe qui est la plus fortement sollicitée, ceci étant dû

à la compression du produit vers celle-ci. Ce choix permet de réaliser une liaison robuste

de la mâchoire fixe par rapport au bâti. Par ailleurs, le réglage de la mâchoire fixe entraîne

une modification de son angle par rapport au sol. Ainsi au cours de l’usure la configuration

physique de la zone intermâchoires est modifiée.

Enfin, pendant la conception, le choix de l’architecture a été modifié pour adopter

l’architecture n°4. Ce changement est dû à une volonté de simplification de la solution

technique à apporter pour réaliser le réglage de l’ouverture à la sortie. De plus, le réglage

proposé par l’architecture n°1 originalement choisie modifie sa cinématique. En effet, la

modification du point liant la bielle avec le bâti oriente la trajectoire des points de la mâchoire

différemment.

Ainsi, afin de ne pas modifier la cinématique au cours du temps, en avançant le bas de

la mâchoire et de simplifier la conception du réglage, il a été choisi d’effectuer un réglage

de la mâchoire mobile par un jeu de cales placées derrière la mâchoire fixe.


26

4.1.2. Dimensionnement de l’architecture choisie

Afin de dimensionner l’architecture n°4 choisie, il a été nécessaire de chercher la

configuration de longueurs et de positions de chacune des barres permettant de répondre

au cahier des charges. Pour cette étape de dimensionnement, les critères concernés sont :

- La granulométrie d’entrée : l’ouverture à l’entrée est définie par la granulométrie

d’entrée du concasseur. Notons que la granulométrie maximale à l’entrée est de 90

mm.

- La granulométrie de sortie : elle définit l’ouverture à la sortie du concasseur, c’est-à-

dire la plus grande distance entre les deux mâchoires sur l’ensemble d’une rotation.

Ceci représente le plus gros grain susceptible de passer entre les mâchoires devant

être inférieur à 10 mm.

- La dimension verticale de l’encombrement admissible limite la hauteur du mécanisme

Pour se faire, j’ai utilisé un modèle cinématique par CAO permettant de choisir en

faisant varier, de façon itérative, les différents paramètres de longueurs du système, du

rayon du profil de mâchoire et de position des points fixes afin d’obtenir la configuration

respectant au mieux le cahier des charges.

Pour commencer, j’ai pu créer deux modèles cinématiques réalisés à l’aide du même

logiciel (Inventor) m’a permis de comprendre deux configurations cinématiques de

concasseurs disponibles sur le marché.

Ainsi, j’ai modélisé la configuration cinématique du BB200 de la marque RETSCH et le

concasseur américain de la marque BAKER, ce dernier dont le fonctionnement est typique

des concasseurs de production industrielle dans le domaine minier.

Il est instructif de noter les différences entre les deux concasseurs. On remarque que

le BB200 possède une cinématique ayant moins d’amplitude de mouvement et une

Figure 14 : Modèle cinématique CAO des concasseurs existants : BB200, BAKER

BB200 BAKER


27

mâchoire fixe non verticale. Ceci est dû à la valeur de la longueur 𝑙1 deux fois plus faible

pour le BB200 par rapport à celle du BAKER, en comparaison de proportions.

Si nous reprenons le mécanisme présenté précédemment, j’ai d’abord pu faire varier

les différents paramètres du modèle tels que la longueur de chacune des barres, 𝑙1, 𝑙2, 𝑙3,

𝑙4, l’angle de la barre fixe 𝜃4 et étudier la cinématique résultante. Par la suite, en intégrant

les profils des mâchoires fixe et mobile j’ai étudié les différentes granulométries d’entrée et

de sortie réalisées.

En augmentant la longueur 𝑙1 nous pouvons observer que la trajectoire gagne de

l’amplitude, mais perd de sa régularité. En effet, la longueur 𝑙3 contribue à la régularité de

la trajectoire de la mâchoire, c’est en termes de rapport de 𝑙1 par rapport à 𝑙3 que la

comparaison peut être faite (voir Figure 15A et Figure 15B).

Figure 15 : Effet des différentes longueurs de barres sur la cinématique du système

En diminuant les longueurs 𝑙2 et 𝑙4, nous pouvons remarquer que les trajectoires de la

mâchoire tendent à former des arcs de cercle, ou des cercles, car ces longueurs deviennent

trop petites devant 𝑙1 et 𝑙3, ce que nous pouvons observer aux Figure 15E et Figure 15F.

Enfin, on observe à la Figure 15B que la position du point O4 de la liaison entre le bâti

et la bielle 3 de longueur 𝑙3 change l’orientation des trajectoires des points de la mâchoire.

A B

V

C D

E F

R


28

Plus l’on modifie ce point en le faisant descendre ou pivoter de sens anti-trigonométrique

par rapport au point de liaison entre le porte-mâchoire 2 et la bielle 3, plus les directions

des trajectoires des points de la mâchoire pivotent selon le sens anti-trigonométrique

également.

Pour déterminer la conception du mécanisme en fonction du cahier des charges, il est

nécessaire de faire intervenir les profils des mâchoires. Ainsi, notons que nous souhaitons

fabriquer deux mâchoires (fixes et mobiles) identiques pour n’investir que dans un seul

moule et limiter les coûts de fabrication. Par ailleurs, nous les souhaitons réversibles pour

pouvoir les retourner en fonction de leur usure et ainsi augmenter leur durée de vie. Dans

ce modèle, les profils des mâchoires permettent de déterminer les dimensions des

différentes barres en fonction de l’ouverture à l’entrée et de l’ouverture à la sortie du

mécanisme.

L’ouverture à la sortie correspond à la plus grande distance entre la mâchoire fixe et la

mâchoire mobile pendant le cycle de rotation du système : c’est la dimension permettant le

passage du plus gros grain de produit concassé en amont de l’espace intermâchoires. On

remarque que plus le rayon de courbure des mâchoires est important plus la granulométrie

finale maximale correspondant à cette dimension sera élevée. Alors qu’avec deux

mâchoires de très grand rayon, donc quasi planes, on pourrait obtenir des granulométries

de sortie maximale très fines. Cependant, le paramètre qui a le plus d’influence sur le

dimensionnement du mécanisme reste la valeur du rayon de l’arbre excentrique, soit la

longueur 𝑙1. Elle définit l’amplitude maximale des points de la mâchoire mobile. Des

remarques similaires peuvent être faites sur la granulométrie maximale à l’entrée.

Figure 16 : Résultats cinématiques de la configuration choisie (PTC Creo)

À partir de l’encombrement en hauteur défini dans le cahier des charges, en définissant

l’ordre de grandeur des longueurs des barres de longueurs 𝑙2 et 𝑙4. Ensuite, il faut adapter

les longueurs des barres 𝑙1 et 𝑙3, le rayon de courbure, la position et l’orientation de la

mâchoire mobile.

Le logiciel INVENTOR a permis le calcul des trajectoires de ces points permettant

d’obtenir une granulométrie à la sortie maximale entre 5 et 10 mm et une granulométrie


29

maximale à l’entrée de 90 mm. J’ai pu également vérifier le modèle CAO avec PTC Creo

qui corrobore les résultats granulométriques et cinématiques comme on peut l’observer à

la Figure 17.

Figure 17 : Schéma des paramètres de la cinématique dimensionnée

Ainsi, les paramètres dimensionnés pour la configuration du mécanisme sont reportés

dans le tableau suivant :

Paramètre 𝑙1 (mm) 𝑙2 (mm) 𝑙3 (mm) 𝑙4 (mm) 𝜃4 (°)

Rayon de courbure de la mâchoire (mm)

Valeur 6 350 140 300 8 1000

Tableau 1 : Valeurs retenues pour les différents paramètres

Par ailleurs, les coordonnées des points M1 et M2, dans le repère (𝑂2, 𝑥2 , 𝑦2 ) et les

coordonnées des points M3 et M4 dans le repère (𝑂4, 𝑥0 , 𝑦0 ) , sont :

Points M1 M2 Points M3 M4

Coordonnée selon x2 (mm)

-50 360 Coordonnée selon x0 (mm)

-230 -230

Coordonnée selon y2 (mm)

175 175 Coordonnée selon y0 (mm)

0 100

Tableau 2 : Suite des valeurs des paramètres


30

4.2. Dimensionnement des principales pièces mécaniques

La conception générale de la machine a été faite par le dimensionnement d’un

ensemble de pièces. Nous développerons ici le dimensionnement des pièces les plus

importantes du mécanisme. La description des éléments composants la machine est

détaillée sur les plans d’ensemble en Annexe 1.9 et 1.10.

Figure 18 : Vues de la conception du concasseur en coupe (gauche) et du bâti (droite)

Le concasseur est composé d’un châssis, composé de trois tubes et de deux UPE

soudés, sur lequel est vissée une platine dédiée à la fixation du moteur. Ce châssis

supporte également le bâti du concasseur par vissage sur les UPE de pieds soudés sur les

tôles de flancs du bâti.

Le châssis est composé de deux tôles de flancs entre lesquelles sont vissées des

poutres carrées aux extrémités, de manière à pouvoir démonter l’ensemble. À l’arrière du

concasseur (du côté du moteur), une tôle d’accès permet le graissage des roulements du

porte-mâchoire.

La tôle supérieure possède une ouverture et des taraudages pour la fixation de la bride

de la trémie amont ; en aval, les taraudages sont prévus dans les flancs du bâti et les deux

poutres du de la partie inférieure de la chambre de concassage

La trémie placée à l’entrée de la zone de concassage permet le recentrage du produit

entre les mâchoires. De plus, elle permet la protection des pièces du porte-mâchoire contre

les projections de fragments de produits et contribue à l’étanchéité de la chambre de

concassage.

L’arbre excentrique est lié au bâti par deux paliers appliques FYNT 60 de la marque

SKF placés sur les flancs du bâti. Il est également solidaire des poulies/volants d’inertie

disposés à chaque extrémité.

La liaison entre l’arbre excentrique et le porte-mâchoire est réalisée par deux

roulements 30215 J2/Q de la marque SKF placés dans le porte-mâchoire.

Le porte-mâchoire est un ensemble mécanosoudé sur lequel est assemblée la

mâchoire mobile.


31

Enfin, la bielle est une pièce usinée permettant de lier le porte-mâchoire au bâti par

l’intermédiaire d’une poutre vissée dans les flancs du bâti.

4.2.1. Dimensionnement de la puissance du moteur

Dans un premier temps, nous devons déterminer la puissance minimale nécessaire à

transmettre à la mâchoire pour être à même de fragmenter le clinker.

Sachant que le clinker n’est pas un produit fini, les caractéristiques mécaniques de

résistance à la rupture par compression, cisaillement, torsion ne sont pas disponibles dans

la littérature.

Afin de quantifier les efforts nécessaires au concassage du produit traité, j’ai pu me

procurer des échantillons de clinker de granulométrie D95=0-12mm de masse volumique

apparente de 1,130kg/L

En utilisant un vérin de diamètre 32 mm, un régulateur de pression et un distributeur,

j’ai pu effectuer des essais de résistance à la compression de cet échantillon de clinker.

Figure 19 : Essais de compression de granules de clinker

Ainsi, j’ai observé que la résistance du clinker dépend de sa cuisson. J’ai pu trouver que

pour différents grains les valeurs de résistances à la compression étaient différentes.

L’effort du vérin nécessaire à la rupture du grain de clinker le plus dur de l’échantillon était

d’environ 400 N.

En se rapprochant des conditions d’essais de la norme NF EN 1926, on considère que

la surface de section transversale de l’échantillon s’assimile à un carré de 5 mm de côté

(pour une granulométrie de 12mm de diamètre), on obtient une résistance à la rupture en

compression uniaxiale de 16 N/mm² soit 16 MPa. Sachant que le grain de clinker ayant subi

l’essai n’est pas une éprouvette respectant les conditions d’essais de la norme NF EN 1926

et que l’imprécision de la lecture de la pression délivrée au vérin nécessaire à la rupture du

clinker n’est pas négligeable, la valeur de résistance à la compression en MPa est à prendre

avec précaution, mais permet toutefois de connaître l’ordre de grandeur des résultats des

essais.

Ainsi, à partir de cet ordre de grandeur de la résistance du clinker à la compression

uniaxiale et en choisissant une zone dite de travail correspondant à une fraction de la

surface totale de la mâchoire, j’ai pu déterminer la force minimale nécessaire au

concassage du clinker et donc au respect du cahier des charges. Cette zone est située

dans la partie de la mâchoire mobile la plus proche avec la mâchoire fixe (Figure 17 en

page 29).


32

Par ailleurs, le choix de la surface a été effectué en comparant la force moyenne

disponible dans cette zone pour le BB200 ainsi que pour le concasseur américain BAKER.

Ces calculs ont été effectués à l’aide d’INVENTOR en utilisant les modèles

cinématiques et en appliquant les couples disponibles au niveau de l’arbre excentrique. Le

logiciel permet ensuite le calcul de la force exercée à un point donné de la mâchoire choisi

dans la zone de travail.

Notons les caractéristiques principales des deux machines :

Ouverture à

l’entrée (mm) Hauteur des

mâchoires (mm)

Puissance disponible à l’axe

moteur (kW)

Couple disponible à l’axe de l’arbre

excentrique (N.m)

BB200 110 x 100 320 1.5 66

BAKER 250 x 150 428 5.5 300

Tableau 3 : Caractéristiques techniques des concasseurs BAKER et BB200 de RETSCH

À partir de ces données, les simulations permettent d’obtenir la force moyenne, dans la

zone la plus proche de la mâchoire fixe, résultante du couple appliqué au niveau de l’arbre

excentrique.

Ensuite, nous pouvons rapporter cette force à la surface de la mâchoire pour créer un

critère de comparaison entre les différentes machines.

On peut alors faire l’hypothèse que la force transmise à cette zone de la mâchoire

compresse une bande de clinker s’y trouvant. Ainsi, en divisant la force résultante

disponible par le produit de la résistance du clinker et de la largeur de la mâchoire ; nous

obtenons une grandeur correspondant à la hauteur d’une bande de la mâchoire où chaque

point de contact est soumis à une contrainte égale à la valeur de la résistance à la

compression du clinker. Ceci signifie que la matière se trouvant dans cette zone pourra être

fragmentée.

Revenons également sur une remarque portée précédemment sur la validité des essais

de compression. En analysant le contact réel entre la mâchoire et une granule de clinker,

nous nous rendons compte que le contact se limite à un point puis à une zone circulaire

(lorsque la granule commence à se déformer sous l’effet de la compression) avant sa

rupture.

Ainsi, pour une hauteur de bande de travail donnée, il faut imaginer une concentration

des contraintes transmises entre la mâchoire et le clinker dans ces zones de contacts, ceci

améliorant la fragmentation des granules se trouvant dans cette bande.

Force moyenne

résultante dans la zone de travail (kN)

Force résultante/Surface projetée mâchoire

(N/mm²)

Hauteur de la bande de (mm)

BB200 30 0.8 16

BAKER 31 0.3 8

Tableau 4 : Résultats des calculs de force pour le BB200 et le BAKER


33

Ainsi, le choix de la force nécessaire dans cette zone de la mâchoire et du couple au

niveau de l’arbre excentrique a été effectué par comparaison selon les critères précédents.

En effet, nous savons que le BB200 est capable de satisfaire au débit défini par le cahier

des charges. Par ailleurs, le BAKER est un concasseur de plus grande capacité que le

BB200. J’ai donc pu choisir les caractéristiques de la machine en se rapprochant d’un

concasseur industriel.

ITECA SOCADEI

Force moyenne résultante dans la

zone de travail (kN)

Force résultante/Surface projetée mâchoire

(N/mm²)

Hauteur de la bande de (mm)

30 0.3 9

Ouverture à l’entrée (mm)

Hauteur des mâchoires (mm)

Puissance disponible à l’axe

moteur (kW)

Couple disponible à l’axe de l’arbre

excentrique (N.m)

110 x 280 432 2.2 110

Tableau 5 : Valeurs calculées des caractéristiques techniques du concasseur ITECA SOCADEI

4.2.1. Conception du bâti et des plaques de blindage

Le bâti a été conçu de façon à résister aux charges délivrées par la mâchoire mobile

contre la mâchoire fixe en concassant la matière et d’un encombrement liés aux pièces qu’il

accueille. Ainsi, les flancs et la plaque supportant la mâchoire sont d’une épaisseur de 25

mm. Les poutres de liaisons (barreaux de 40x40 mm) sont assemblées par vissage dans

les flancs. La plaque de fixation de la mâchoire mobile est assemblée par vissage dans

l’épaisseur des flancs du bâti. Les paliers appliques sont placés sur des rondelles d’appui

permettant le centrage des paliers et également du démontage par la présence de trous

taraudés traversant. L’utilisation de vis en poussant sur la tôle de flanc permettra d’écarter

les paliers de cette dernière pour le démontage.

Figure 20 : Vues de la conception de l’assemblage bâti

Le réglage de l’ouverture à la sortie est possible par un jeu de cales placées soit à

l’intérieur soit à l’extérieur du bâti et assemblées avec la mâchoire fixe. Le débourrage de


34

la chambre de concassage pourra être réalisé en moins de deux heures, comme défini

dans le cahier des charges, en démontant la plaque supportant la mâchoire fixe vissé dans

les tôles de flancs

Les plaques de blindages sont des pièces d’usures assemblées vissées par l’extérieur

du bâti à travers les flancs et permettent la protection de ces pièces.

4.2.2. Dimensionnement des mâchoires et du porte-mâchoire

Les mâchoires sont les pièces les plus importantes de la conception. En effet, ce sont

elles qui sont en contact avec le produit et le contraignent en compression jusqu’à sa

rupture. Ces pièces sont donc fortement sollicitées et leur usure peut être rapide si le

matériau les constituants n’est pas assez résistant à l’abrasion et aux impacts.

Les règles de l’échantillonnage contraignent fortement la conception de la machine.

Ainsi, de manière à éviter l’arc-boutement de plusieurs grains du produit concassé, une

dimension du concasseur doit être supérieure ou égale à trois fois la granulométrie

maximale du produit. La conception des mâchoires et donc de la machine doit tenir compte

de ce critère, en imposant la largeur des mâchoires à la valeur de trois fois la granulométrie

maximale.

La granulométrie maximale traitée étant de D95=90mm, la largeur des mâchoires doit

donc être égale à 280mm.

Par ailleurs, généralement les mâchoires de concasseurs sont faites d’acier au

manganèse. Plus l’alliage de manganèse est important plus la dureté en surface est

importante et plus la résistance à l’abrasion est importante. Le clinker étant un matériau

très abrasif, les mâchoires de concasseurs, pour ces applications, sont constituées d’acier

à 14% d’alliage au manganèse.

Les mâchoires de concasseurs peuvent avoir différentes formes de profil droit, en arc

de cercle ou composées de plusieurs segments inclinés aux extrémités. Nous opterons

pour un profil en arc de cercle d’un rayon de 1000 mm qui est le plus adapté à notre

application.

Figure 21 : Forme des profils (Gauche) et de dents (Droite) des mâchoires

Forme des dents Forme des profils


35

Par ailleurs, les différentes formes de dents des mâchoires de concasseurs dépendent

de la nature du matériau à concasser (graviers, matières abrasives ou non, grands blocs

de roches, béton, brique …). Dans notre cas, nous choisissons la forme de type b

particulièrement adaptée aux matériaux abrasifs comme le clinker. La Figure 22 ci-dessous

montre les mâchoires conçues.

Figure 22 : Mâchoire du concasseur conçue (gauche), analyse statique de la mâchoire soumise à la force de concassage (droite)

Pour vérifier la viabilité de la conception, j’ai pu effectuer une analyse statique pour

vérifier la résistance de la conception de la mâchoire soumise à une force de 30kN. Cette

force a été appliquée à la surface de la zone de travail, mais uniquement sur les sommets,

correspondant aux zones qui seront réellement les plus sollicitées, ceci concentre les

contraintes. Cependant, les résultats montrent que la mâchoire supportera la charge lors

du fonctionnement de l’appareil.

Lors de mon stage, après avoir conçu le modèle CAO de la mâchoire, j’ai recherché sur

internet et parmi les fournisseurs d’ITECA SOCADEI des fonderies capables de fabriquer

des pièces dans un alliage de manganèse.

Ainsi, parmi les fournisseurs contactés, j’ai reçu deux devis que j’ai pu comparer. La

sélection du fournisseur en faveur de DMI (Desaf Metal Industry) s’est faite par le critère du

prix et de la proximité. L’autre entreprise FootHillSteel qui a répondu à la demande de devis

est une entreprise australienne proposant les mâchoires à un prix (sans livraison) de 1000$

par pièce, soit 850€. En effet, DMI est une entreprise belge et propose les mâchoires

devisées à 250€ par pièce (sans livraison) (Voir devis en Annexe 1.4.).

Le porte-mâchoire est la pièce qui permet l’entrainement de la mâchoire mobile. Elle

constitue le deuxième solide du système quatre barres.


36

Figure 23 : Vues de la conception du porte-mâchoire mobile

Cette pièce est conçue par assemblage soudé et vissé. En général, cette pièce est

fabriquée par un procédé de fonderie. Cependant, afin de limiter les coûts de fabrication, il

est préférable de ne pas devoir investir dans un second moule (après le moule nécessaire

aux mâchoires) pour fabriquer cet assemblage complexe par fonderie. De plus, un

prototype de la machine devra être réalisé avant de lancer une fabrication de série.

Cet ensemble de pièces sont soudées entre elles, à savoir, les joues, le tube de

logement pour l’arbre excentrique, la plaque portant la mâchoire ainsi que la barre et la

chape de la bielle.

Figure 24 : Vue de la conception mécanosoudée du porte-mâchoire

Deux cales, dites inférieures et supérieures, sont assemblées au porte-mâchoire. La

cale supérieure permet de bloquer la cale de fixation de la mâchoire en translation et la cale

inférieure de supporter la mâchoire. La cale de fixation serre la mâchoire contre la partie

plane du porte-mâchoire par deux vis de serrage permettant lier les deux pièces.


37

Figure 25 : Solution technique du système de fixation de la mâchoire mobile (gauche) Vue en coupe d'une extrémité de la mâchoire mobile (droite)

Par ailleurs, les tresses téflon visibles sur les flancs de la plaque du porte-mâchoire

empêchent aux poussières de sortir de la chambre de concassage. Ces tresses sont

disposées sur une bande de mousse de Polyéthylène (PE) dans des rainures usinées sur

les flancs de la plaque recevant la mâchoire mobile et vont frotter contre les plaques de

blindage du bâti

La tôle à ressort fixée sur la partie haute du porte-mâchoire limite la perte des

poussières due au concassage du produit entre le haut du porte-mâchoire et la tôle

supérieure du bâti.

Enfin, au bas du porte-mâchoire se trouve une chape usinée et soudée sur un renfort

entre les joues de la structure du porte-mâchoire destinée à recevoir l’axe liant la bielle au

porte-mâchoire.

Figure 26 : Analyse mécanique de résistance

Grâce à l’analyse, on peut remarquer que le porte-mâchoire résiste aux sollicitations

subies pendant le concassage. J’ai pu dimensionner le mécanisme en appliquant de forts

coefficients de sécurité s’élevant jusqu’à 5 ; en effet c’est une pièce maîtresse destinée à

transmettre la force de concassage.


38

4.2.3. Dimensionnement de l’arbre excentrique

L’arbre excentrique est la pièce permettant de créer le mouvement du système. Il

correspond au solide de plus petite longueur du système quatre barres étudié dans la partie

d’étude cinématique. Le rayon de la portée excentrique de l’arbre doit être égal au rayon

déterminé par le dimensionnement cinématique de la partie précédente, c’est-à-dire de 6

mm. La Figure 27 ci-dessous montre l’assemblage de l’arbre excentrique par rapport au

porte-mâchoire et au bâti.

Figure 27 : Vue de la conception du montage de l'arbre excentrique

Cette pièce est soumise à un couple moteur, d’une valeur de 110 N.m, provenant du système de transmission de puissance en extrémité d’arbre d’un seul côté, par une poulie. Par ailleurs, l’arbre excentrique entraîne le porte-mâchoire en rotation par la portée excentrique. Les deux liaisons pivots sont réalisées par deux roulements à rouleaux (30125 J2/Q) d’une charge dynamique de 140kN chacun, très largement dimensionnés par rapport à la force de 30kN que l’on transmet à la mâchoire mobile. Ainsi, le choix des roulements contraint les dimensions de l’arbre par les dimensions des diamètres des bagues intérieures des roulements.

Figure 28 : Résultats de l'analyse de l'arbre excentrique


39

L’arbre doit ainsi être conçu pour résister à la torsion du couple moteur transmis à la

poulie menée liée à l’arbre ainsi qu’aux chocs ou aux efforts de flexion exercée par la

réaction de la matière à concasser. La Figure 28 ci-dessus montre les résultats de la

simulation montrant que l’arbre excentrique résistera aux sollicitations subies.

4.2.4. Dimensionnement de la bielle

La position de la bielle entraîne une reprise des efforts venant de la mâchoire mobile

de l’ordre de deux tiers de l’effort transmis. Dans le calcul, nous considérerons, l’effort subi

égal à l’effort transmit pour se placer dans la pire des situations, où la bielle reprend tous

les efforts de la mâchoire mobile.

L’axe de la bielle a été dimensionné de manière à résister à une transmission de

force de 29 kN. Ainsi, le diamètre résultant de cette pièce contraint l’épaisseur de la bielle.

Par ailleurs, sa longueur est définie par la longueur définie dans la partir de

dimensionnement cinématique.

L’épaisseur et la profondeur de la bielle sont dimensionnées en effectuant des

calculs de simulations et en trouvant les dimensions lui permettant de résister à la contrainte

de 29kN venant de la mâchoire mobile.

Figure 29 : Calcul de l'axe de la bielle nécessaire (gauche), résultat de l'analyse des sollicitations de la bielle (droite)

Nous pouvons remarquer que les résultats de la simulation montrent que la bielle a

bien été dimensionnée de manière à ne pas subir de rupture avec un coefficient de sécurité

minimum de 5 sur cette pièce.

4.2.5. Dimensionnement du volant d’inertie

Le volant d’inertie permet le stockage d’énergie sous forme d’énergie cinétique de

rotation. Ce système constitué d’une masse tournante permet d’absorber les irrégularités

de couple de l’arbre auquel il est assemblé.

Dans notre cas, l’irrégularité du couple au niveau de l’arbre excentrique est due aux

masses mises en rotation et au couple résistant au cours d’une rotation due à la

fragmentation du clinker.


40

Pour dimensionner le volant d’inertie, il faut déterminer le moment d’inertie du volant

nécessaire en fonction de l’irrégularité de l’arbre.

Dans un premier temps, il faut choisir le coefficient de fluctuation de la vitesse de

rotation, Cf :

𝐶𝑓 =𝜔𝑚𝑎𝑥 − 𝜔𝑚𝑖𝑛

𝜔𝑛𝑜𝑚

𝜔𝑚𝑎𝑥 : Vitesse de rotation de l’arbre

excentrique maximale

𝜔𝑚𝑖𝑛 : Vitesse de rotation de l’arbre

excentrique minimale

𝜔𝑛𝑜𝑚 : Vitesse de rotation de l’arbre

excentrique nominal

Pour un concasseur, le coefficient de fluctuation généralement adopté est de 0,2. Nous

adopterons cette valeur pour la suite du calcul.

Il faut ensuite déterminer l’énergie de stockage nécessaire, définie par :

𝐸 =1

2 𝐼𝑚 (𝜔𝑚𝑎𝑥

2 − 𝜔𝑚𝑖𝑛2)

Une simulation dynamique après la conception de l’ensemble mobile a permis le calcul

des vitesses de rotation minimale et maximale. Cette simulation prend en compte les

propriétés massiques de l’ensemble en rotation ainsi que la force transmissible au produit

concassé.

Figure 30 : Résultat de la simulation dynamique sans volants d'inertie

Ainsi, à partir des résultats on obtient les grandeurs suivantes Im= 4,72 kg.m², 𝜔𝑚𝑎𝑥=

20,3 rad/s et 𝜔𝑚𝑖𝑛= 17,9 rad/s.

L’énergie nécessaire est donc égale à E=319 J.

𝐸 = 𝐸2 − 𝐸1

𝜔𝑚𝑜𝑦 =(𝜔𝑚𝑎𝑥 + 𝜔𝑚𝑖𝑛)

2

𝐸 =1

2 𝐼𝑟 2 𝜔𝑚𝑜𝑦 𝐶𝑓 𝜔𝑚𝑜𝑦

𝐸2 − 𝐸1 = 𝐶𝑓 𝐼𝑟 𝜔𝑚𝑜𝑦2


41

𝐼𝑟 = 𝐸

𝐶𝑓 𝜔𝑚𝑜𝑦2

Ainsi, on obtient 𝐼𝑟 = 4,37 kg.m² le moment d’inertie total nécessaire à l’ensemble des

volants d’inertie.

Figure 31 : Résultat de la simulation dynamique avec volants d'inertie

Dans la conception finale, dû au moment d’inertie des poulies à gorges trapézoïdales

disponibles sur le marché, il a fallu prévoir deux roues pour obtenir un moment d’inertie total

supérieur et le plus proche au moment d’inertie nécessaire.

Nous pourrons remarquer que si un objet non fragmentable entre dans la chambre de

concassage. La machine se bloquera, car l’effort demandé pour fragmenter ce produit est

plus grand que celui fourni par le moteur et les volants d’inertie. Ainsi, le système ralentira

par glissement des courroies jusqu’à s’arrêter.

J’ai pu consulter différents fournisseurs pour les volants d’inertie, j’ai pu ensuite choisir

deux pièces fournies par LOUDET. En effet, afin de limiter les coûts liés à ces pièces, j’ai

choisi d’utiliser deux poulies à gorges trapézoïdales de très grand rayon (630mm) qui ont

un moment d’inertie total de 𝐼𝑟 = 4,56 kg.m² pour une masse de 46 kg chacune. La fiche du

catalogue, ainsi que le devis correspondant sont en Annexe 1.6 et 1.7.


42

III. Bilan technique

1. Bilan d’avancement du projet

Le projet a été mené sur une durée de 24 semaines, j’ai pu organiser mon projet par un

planning de type GANTT (GANTT prévisionnel et réel Annexe 1.1 et 1.2).

Le projet a été réalisé dans sa globalité par réalisation d’une modélisation CAO du

concasseur conçu et son plan d’ensemble.

Pour cela, dans la première partie du projet, en avant-projet, j’ai pu effectuer l’analyse

du besoin et rédiger un cahier des charges fonctionnel correspondant aux besoins de

l’entreprise. Ensuite, des recherches et la réalisation de l’état de l’art m’ont permis de

proposer différentes architectures dont une a été retenue pour la réalisation du projet.

Pendant la deuxième partie du projet, j’ai pu effectuer des études mécaniques pour le

dimensionnement du mécanisme et des principales pièces constituant la machine.

Enfin, j’ai pu rechercher les différents fournisseurs des pièces spécifiques telles que les

mâchoires, les volants d’inerties, le moteur, le système de transmission par courroies

trapézoïdales, les roulements/paliers et autres accessoires.

La recherche de ces fournisseurs ainsi qu’une demande de prix des pièces les plus

complexes m’ont permis d’établir une première estimation du budget nécessaire à la

réalisation d’un prototype que nous développerons dans la partie suivante.

Les objectifs du projet ont étés atteints, la suite du projet est d’évaluer la faisabilité de

la fabrication d’un prototype. Notons que selon le fonctionnement de l’entreprise, les plans

de détails ne sont rédigés que pour la fabrication des pièces concernées.


43

2. Mise en perspective des travaux réalisés

Le prix total des pièces achetées représente 2500€. Après une demande de prix rapide

aux sous-traitants de l’entreprise, il s’avère que le budget minimal de la fabrication de la

pièce représente 3400€ (2500€ pour la fabrication du porte-mâchoire, du châssis ; 900€

d’achats de matière (tôles et barres du bâti)). La plupart des pièces étant découpées au

laser, il est ensuite nécessaire d’usiner les pièces, le prix de ces opérations d’usinage n’a

pas été chiffré. Cependant, le budget jusque-là évalué est de 5900€. Le budget de départ

étant de 4000€, le critère de prix n’est pas respecté malgré les efforts de conception limitant

les investissements dans des moules ou des procédés de fabrication plus coûteux. Les

devis des pièces achetées se trouvent en Annexe 1.6 et 1.8.

Au terme de la période de stage, j’ai pu organiser une réunion de validation afin de

présenter la conception pour déterminer si ITECA SOCADEI lancerait la fabrication d’un

prototype. Dans l’affirmative, l’ensemble des plans de détails serait rédigé afin de réaliser

les devis et le lancement en fabrication. À l’issue de cette réunion, il en résulte que la

conception donne un résultat atteignant les objectifs fixés par le cahier des charges. Par

ailleurs, le budget initial de 4000€ peut-être rehaussé de 2000€ soit un nouvel objectif de

prix de revient de 6000€.

Ainsi, la différence entre le prix de revient évalué par la fabrication des pièces et le

nouvel objectif de prix se réduit, mais ne permet pas encore de réaliser le projet sans

réévaluer le besoin ou de nouveau le prix de revient.

Cependant, selon une des règles de conception utilisées dans ce projet pour respecter

les règles de l’échantillonnage, la largeur doit être égale ou supérieure à trois fois la

granulométrie maximale traitée. Si l’on applique cette règle au BB200, qui a une ouverture

en largeur de 100 mm alors la granulométrie maximale traitée n’est plus de D95=90mm,

mais plutôt de D95=33mm. Ainsi, les deux concasseurs ne sont pas comparables en

matière de prix, car leur utilisation est différente. Il faudrait alors comparer ce prix avec un

concasseur équivalent dont le prix sera bien supérieur.

En effet, la suite du projet sera donc de soit reformuler le besoin afin de concevoir une

machine dont la fabrication coute le prix de revient fixé, en simplifiant les solutions

techniques utilisées ou en trouvant des fournisseurs ou fabricants proposant de meilleurs

prix de fabrication ; soit de modifier le prix de revient de la machine. Il faut garder à l’esprit

que le prix du concasseur ITECA SOCADEI a été défini par comparaison avec le prix du

concasseur actuellement utilisé, le BB200 de RETSCH.

De plus, la fabrication d’un tel prototype permettrait la vérification des études et de la

conception réalisées lors de ce projet. En effet, le domaine de la fragmentation est encore

inconnu pour l’entreprise. Ainsi, les travaux que j’ai pu réaliser permettent à la fois un gain

de connaissances dans ce domaine, mais aussi un début de recherche pour le

développement d’un produit et de nouvelles technologies de fragmentation par concasseur

à mâchoires se rajoutant au concasseur à cylindre d’ITECA SOCADEI.


44

IV. Conclusion personnelle

Lors de ce Projet de Fin d’Études, j’ai pu me forger ma première expérience en

entreprise pour la réalisation d’un projet industriel complet, de l’analyse du besoin et l’état

de l’art jusqu’à la conception globale d’une machine répondant au mieux à ce besoin.

Le stage m’a permis de travailler dans un Bureau d’Étude au sein d’un service d’affaires

mécanique auprès d’ingénieurs expérimentés. Cela m’a permis de découvrir le travail de

Bureau d’Étude dont je souhaiterais connaître d’autres expériences en tant qu’ingénieur.

J’ai également pu travailler en collaboration avec les autres services de l’entreprise telle

que le Bureau d’Étude Électricité et Automatisme, le Bureau Méthodes et Fabrication, le

service commercial et le service après-vente.

Lors de cette période de formation, j’ai pu finaliser ma formation d’Ingénieur Génie

Mécanique en appliquant les notions que j’ai apprises lors de mon cursus à l’INSA, par

exemple lors des études mécaniques, mais aussi pendant la réalisation du concasseur par

CAO.

De plus, grâce à la grande confiance dont j’ai pu bénéficier de la part de mon

encadrement, j’ai pu piloter le projet entièrement en organisant les différentes étapes du

projet, les différentes réunions pour validation des différents jalons, en autonomie. Cette

expérience m’a permis de développer une expérience de gestion de projet, d’études

techniques et de travail collaboratif essentiel au métier d’ingénieur. Ainsi, j’ai pu développer

et améliorer mes compétences générales d’ingénieur.

Enfin, la diversité des produits de l’entreprise est telle que j’ai pu être au contact d’un

large panel de domaine d’industries, de technologies et de compétences utilisées et

détenues par l’entreprise. J’ai beaucoup apprécié de pouvoir ainsi enrichir ma culture

technique en ayant eu l’opportunité d’assister au montage de trieuses de boulets, de

concasseurs à doubles cylindres, de préleveurs, de trémies d’homogénéisations … pendant

ces six mois de stage.


45

V. Table des légendes et des tableaux :

Figure 1 : Ouverture à l’international de l’entreprise ................................................................... 7

Figure 2 : Principaux domaines d’activités industrielles ............................................................. 8

Figure 3 : Principaux groupes de clients ............................................................................................. 8

Figure 4 : Capteur micro-onde (a), colobserveur (b), préleveur (c), trieuse de boulets (d),

joint de fours (e) ................................................................................................................................ 9

Figure 5 : Diagramme des interacteurs du concasseur ........................................................... 13

Figure 6 : Cahier des charges fonctionnel .................................................................................. 15

Figure 7 : Différents types de technologies de fragmentation ................................................. 16

Figure 8 : Concasseur à mâchoires à simple bielle (a) et à double bielle (b) ....................... 17

Figure 9 : Concasseur RETSCH BB200 utilisé actuellement, vue d’ensemble (gauche),

vue en coupe (droite) ..................................................................................................................... 18

Figure 10 : Schéma cinématique d’un concasseur ................................................................... 19

Figure 11 : Schéma cinématique du concasseur pour le calcul ............................................. 20

Figure 12 : Schéma cinématique avec le point P ...................................................................... 22

Figure 13 : Schéma cinématique des architectures 1, 2, 3 et 4 .............................................. 24

Figure 14 : Modèle cinématique CAO des concasseurs existants : BB200, BAKER ........................... 26

Figure 15 : Effet des différentes longueurs de barres sur la cinématique du système ....... 27

Figure 16 : Résultats cinématiques de la configuration choisie (PTC Creo) ........................ 28

Figure 17 : Schéma des paramètres de la cinématique dimensionnée ................................. 29

Figure 18 : Vues de la conception du concasseur en coupe (gauche) et du bâti (droite) .. 30

Figure 19 : Essais de compression de granules de clinker ..................................................... 31

Figure 20 : Vues de la conception de l’assemblage bâti .......................................................... 33

Figure 21 : Forme des profils (Gauche) et de dents (Droite) des mâchoires ....................... 34

Figure 22 : Mâchoire du concasseur conçue (gauche), analyse statique de la mâchoire

soumise à la force de concassage (droite) ................................................................................ 35

Figure 23 : Vues de la conception du porte-mâchoire mobile ................................................. 36

Figure 24 : Vue de la conception mécanosoudée du porte-mâchoire ................................... 36

Figure 25 : Solution technique du système de fixation de la mâchoire mobile (gauche) Vue

en coupe d'une extrémité de la mâchoire mobile (droite) ........................................................ 37

Figure 26 : Analyse mécanique de résistance ........................................................................... 37

Figure 27 : Vue de la conception du montage de l'arbre excentrique .................................... 38

Figure 28 : Résultats de l'analyse de l'arbre excentrique ........................................................ 38

Figure 29 : Calcul de l'axe de la bielle nécessaire (gauche), résultat de l'analyse des

sollicitations de la bielle (droite) ................................................................................................... 39

Figure 30 : Résultat de la simulation dynamique sans volants d'inertie ................................ 40

Figure 31 : Résultat de la simulation dynamique avec volants d'inertie ................................ 41

https://d.docs.live.net/4ed6ba983a60bbc6/INSA/GM5/S10%20PFE/ITECA/Rapport%20et%20soutenance/Mémoire_PFE_KAVAZIAN_GM5.docx#_Toc491200969

https://d.docs.live.net/4ed6ba983a60bbc6/INSA/GM5/S10%20PFE/ITECA/Rapport%20et%20soutenance/Mémoire_PFE_KAVAZIAN_GM5.docx#_Toc491200980


46

VI. Bibliographie, ressources, documents de référence.

Documents prélevés de la base informatique sur le serveur interne d’ITECA SOCADEI

FANCHON J.-L. Guide des sciences et technologies industrielles, Nathan, 1994

CHEVALIER A. Guide du dessinateur industriel, Hachette Technique, 2003

BLAZY P. Fragmentation Théorie, Techniques de l’ingénieur, 2006

BLAZY P. Fragmentation Technologie, Techniques de l’ingénieur, 2006

GY P. Echantillonnage, Techniques de l’ingénieur, 1998