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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.
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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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
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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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.
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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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
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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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
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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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.
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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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
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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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.
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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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
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
13
- 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
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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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
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
17
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 % ;
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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€.
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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.
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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.
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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.
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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.
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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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
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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
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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.
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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).
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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.
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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.
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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.
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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.
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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.
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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.
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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.
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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.
KAVAZIAN Anthony Mémoire de Projet de Fin d’Études GM5 – Parcours 3
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
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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
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