CHAPITRE 4 : DIMENSIONNEMENT ET CHOIX TECHNOLOGIQUE DES
4.1 Bloc d’entraînement
4.1.2 Dimensionnement et choix du vérin pneumatique
4.1.2.1 Constitution d'un vérin pneumatique
Quel que soit le vérin (voir figure 4.1), son type et son constructeur, il sera constitué des mêmes éléments. Le piston est solidaire de la tige qui peut se déplacer à l'intérieur du corps. Le corps est délimité par le nez et le fond dans lesquels sont aménagés des orifices d'alimentation en air comprimé. Les espaces vides qui peuvent être remplis d'air comprimé s'appelle les chambres.
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Figure 4.1 : Vérin pneumatique 4.1.2.2 Dimensionnement du vérin pneumatique
Le vérin est déterminé du point de vue dimensionnel par :
Sa course (C) : elle est imposée par la longueur du déplacement à obtenir ;
Le diamètre du piston (D), déterminé par les charges à vaincre ;
Le diamètre (d) de la tige, elle doit résister à la flexion et/ou au flambage.
Pour le dimensionnement d’un vérin, nous devons considérer trois cas de figure :
Le diamètre du vérin est déterminé par rapport à la charge à vaincre et à la pression du réseau ;
Le diamètre du vérin est déterminé par sa capacité d’amortissement (pour le cas d’un déplacement horizontal d’une masse importante, l’effort à vaincre n’est pas important, mais il faut amortir l’énergie cinétique en fin de course) ;
La tige du vérin est soumise à la flexion ou au flambage.
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Ne disposant pas de données relatives à l’amortissement, nous nous intéresserons au dimensionnement du vérin par rapport à la charge à vaincre et à la pression du réseau, puis nous ferons un calcul de vérification de la résistance de sa tige au flambage.
La poussée F développée par un vérin de section S sous une pression p est : F = p x S (4.2) Où :
p : pression de travail du réseau (Pa)
S : l’aire de la section sur laquelle la pression est appliquée (mm2) Hypothèses
A la sortie de la tige, le vérin doit pouvoir résister à l’effort de la trappe en vue d’une ouverture optimale de cette dernière. A l’entrée de la tige, le vérin doit pouvoir déployer un effort pouvant atteindre 500 N, afin d’assurer la fermeture de la trappe, compte tenu de la diversité des produits manutentionnés.
Il ressort de ces hypothèses que le vérin assure l’ouverture et la fermeture des trappes solidaires à la cuve.
Nous allons donc considérer le cas où le vérin travaille en assurant l’arrêt d’écoulement de la matière par la fermeture de la trappe, puisque à la sortie de la tige, l’effort déployé est moins important que celui déployé à l’entrée.
Par ailleurs, vu qu’un seul homme est capable d’assurer manuellement (avec sa force physique) l’ouverture et la fermeture des trappes, pour les vérins pneumatiques, la valeur de la pression de travail sera fixée à 0,5 MPa (5 bars).
La section minimale du piston et son diamètre minimal D peuvent être déterminés par la relation:
(4.3) Soit :
√ (4.4)
Rapport de fin de Formation en Licence Professionnelle/Maintenance Industrielle-EPAC/CAP-2014 vérin selon l’abaque sur les vérins. (Voir annexe)
Nous portons notre choix sur le vérin de diamètre du piston D = 40mm et de diamètre de tige d=28 mm. Dans la gamme de course recommandée, nous choisissons la course de 400 mm.
4.1.2.3 Détermination du diamètre de la tige du vérin par rapport à sa résistance
La tige d’un vérin à longue course se comporte comme une poutre sollicitée en flambage sous l’effort axial
Le risque de rupture dépend essentiellement :
du diamètre de la tige ;
de l’importance des jeux internes (tige/embout de cylindre ; piston/cylindre) ;
de la nature de la fixation du vérin et de la liaison entre la tige et la charge.
La théorie d’Euler permet de dimensionner le diamètre de la tige, même si elle s’avère en général insuffisante. Les valeurs fournies par la théorie d’Euler constituent une première approximation qu’il convient de corriger en tenant compte de la mise en œuvre du vérin dans son environnement.
La charge critique d’Euler correspond à la valeur de l’effort axial maximal Fc au-delà de laquelle il y a risque de flambage qui entraîne une déformation irréversible de la tige du vérin.
Un calcul de résistance des matériaux conduit à :
(4.5) Avec :
E : le module de Young du matériau de la tige (acier : E=210 GPa) I : le moment quadratique de la section droite de la tige
La tige de diamètre d est de section pleine donc :
(4.6) lc : la longueur de flambage telle que :
lc= k.L
k est un coefficient appelé facteur de course, fonction du mode de fixation (voir annexe)
L : la longueur de flambage du vérin est égale à la course effectuée par la tige du vérin.
Le corps du vérin sera fixé par bride arrière, on suppose qu’il est supporté non guidé ; ce qui donne d’après l’annexe, k=4.
Nous calculons la longueur de flambage lc lc= 4x400 = 1600mm = 1,6m
La condition de tenue au flambage s’écrit :
(4.7) Où est un coefficient de sécurité.
Nous obtenons pour le diamètre:
√
(4.8) En prenant =3
√
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Nous concluons que le vérin résistera parfaitement au flambage puisque le diamètre de sa tige est de 28 mm. Une récapitulation est faite pour mieux faire le choix du vérin qu’il faut à notre système.
Diamètre de piston : 40mm, Diamètre de tige : 28mm, Course : 400mm.
D’après nos calculs, notre choix se porte sur un vérin à double effet (VDE).
Un vérin à double effet est l’ensemble tige-piston qui peut se déplacer dans les deux sens sous l’action du fluide sous pression (air comprimé). L’effort en poussant (sortie de la tige) est légèrement plus grand que l’effort en tirant (entrée de la tige) car la pression n’agit pas sur la partie de surface occupée par la tige. Le piston peut se déplacer librement dans le corps lorsqu'il est poussé par l'air comprimé. En l'absence d'air comprimé, il reste en position (tige rentrée ou sortie). Ils permettent un réglage plus aisé de la vitesse de la tige par contrôle du débit à l’échappement. L’amortissement est possible dans les deux sens. Pour un vérin à double effet, il faut lui envoyer alternativement de l'air de chaque côté pour obtenir un aller et un retour.
4.1.2.4 Choix du distributeur adapté au système
Les distributeurs (voir figure4.2) sont des composants actifs qui distribuent l’énergie reçue de la pompe aux récepteurs. Ce sont des soupapes ou valves destinées à orienter la circulation du fluide sous pression dans une ou plusieurs directions. Ils sont utilisés pour commuter et contrôler le débit du fluide sous pression, à la réception d’un signal de commande qui peut être mécanique, électrique ou pneumatique. Ils permettent :
de contrôler le mouvement de la tige d’un vérin ou la rotation d’un moteur hydraulique ou pneumatique (distributeurs de puissance) ;
d’exécuter, à partir d’un fluide, des fonctions logiques (fonctions ET, OU, mémoire, etc.) ;
de démarrer ou d’arrêter la circulation d’un fluide (robinet d’arrêt, bloqueur, …) ;
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Figure 4.2 : Deux différents types de distributeurs 4/2 et 5/2
Les paramètres à prendre en compte pour le choix du distributeur sont les suivants :
- Pression d’alimentation (relative) ; - Diamètre du vérin ;
- Course c ;
- Temps de course t ;
- Taux de charge du vérin T.
Au vu de ces paramètres, nous avons porté notre choix sur le distributeur bistable 5/2, pouvant alimenter soit la chambre avant du vérin, soit la chambre arrière. Il comporte donc deux orifices sur lesquels il faut alterner les états de pression et d’échappement. Ce distributeur pneumatique est le pré actionneur privilégié de cet actionneur pneumatique (vérins). A chaque type d'actionneur correspond un distributeur pneumatique que l'on caractérise par :
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son dispositif de commande (mécanique, électrique ou pneumatique)
sa stabilité (monostable ou bistable)
4.1.2.5 Principe de fonctionnement du distributeur 5/2 avec le vérin double effet
Figure 4.3 : Fonctionnement du distributeur 5/2 Dans la position repos de la figure 4.3 ci-dessus, le tiroir permet :
de canaliser l’air comprimé issu de l’orifice 1 vers 2 : la voie 1-2 est alimentée ;
de canaliser l’air issu de l’orifice 4 vers l’orifice 5 à l’atmosphère : la voie 4-5 est à l’échappement.
Dans la position travail de la figure 4.3 ci-dessus, le tiroir permet également :
de canaliser l’air comprimé issu de l’orifice 1 vers l’orifice 4 : la voie 1-4 est alimentée ;
de canaliser l’air issu de l’orifice 2 vers l’orifice 3 à l’atmosphère : la voie 2-3 est à l’échappement.
Le déplacement du tiroir est obtenu par l’apparition des ordres issus de la partie commande. Dans ce cas ces ordres sont pneumatiques. Ces ordres sont appelés « signaux de pilotage ». Ils parviennent :
à l’orifice de pilotage 12 pour l’alimentation de la voie 1-2 et l’échappement de la voie 4-5
à l’orifice de pilotage 14 pour l’alimentation de la voie 1-4 et l’échappement de la voie 2-3.
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4.2 Bloc de détection
Ce bloc, comme son nom l’indique, regroupe essentiellement des détecteurs qui interagissent dans notre système. Il se compose d’un détecteur de position ou interrupteur de position, d’un détecteur de proximité capacitif, d’un détecteur de proximité inductif et d’un détecteur photoélectrique.
4.2.1 Rôle d’un détecteur
La fonction essentielle des détecteurs consiste à renseigner l’unité de traitement d’un équipement d’automatisme sur l’état de la machine ou de l’installation, sur la présence ou l’absence de produits en cours d’élaboration ou de transfert. Ces appareillages jouent un rôle prépondérant dans le déroulement des processus en fournissant des informations "tout ou rien" à des points fixes prédéterminés.
4.2.2 Les différentes familles de détecteurs de présence Il existe différentes familles de détecteurs de présence :
les détecteurs photoélectriques, pour détecter des objets situés de 1/10 de mm jusqu’à plusieurs dizaines de mètres,
les détecteurs de proximité inductifs, pour détecter du métal sans contact physique et à faible distance,
les interrupteurs de position, actionnés par contact direct avec des objets.
les détecteurs de proximité capacitifs, pour détecter des objets conducteurs ou isolants sans contact physique et à faible distance,
les détecteurs à ultrasons pour détecter tout objet en s’affranchissant de sa couleur, de son opacité, de sa nature (poudre, verre, liquide, etc.), sans contact physique,
les détecteurs pressostats ou vacuostats, pour détecter un niveau de pression.
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Les détecteurs photoélectriques, les détecteurs de proximité inductifs, capacitifs et les interrupteurs de position sont les détecteurs de présence qui feront l’objet de notre étude.
4.2.3 Démarche de choix d’un détecteur Le choix proposé s'établit en deux temps :
Phase 1 : détermination de la famille de détecteurs adaptée à l'application.
L'identi※cation de la famille recherchée s'effectue par un jeu de questions/réponses chronologiques :
nature de l'objet à détecter : solide, liquide, gazeux, métallique ou non ;
contact possible avec l'objet ;
distance objet/détecteur ;
masse de l'objet ;
vitesse de déliement ;
cadences de manœuvre ;
espace d'intégration du détecteur dans la machine.
L'organigramme (voir annexe) de choix illustre cette démarche qui conduit à faire la sélection d'une famille des détecteurs sur la base des critères simples.
Phase 2 : détermination du type de détecteur recherché Cette deuxième phase tient compte :
de l'environnement : température, humidité, poussières, projections diverses, etc ;
de la source d'alimentation : alternative ou continue ;
du signal de sortie : électromécanique, statique ;
du type de raccordement : câble, bornier, connecteur.
4.2.4 Dimensionnement et choix de proximité du détecteur capacitif
Les détecteurs de proximité capacitif ont pour fonction essentielle de renseigner un équipement automatique, en fournissant des informations "Tout ou Rien" prélevées en certains points de la chaîne de fabrication. Le produit entraîne une variation de capacité qui sera convertie dans le détecteur en signal de commutation. La construction très robuste des sondes permet une application dans des produits très abrasifs. Jusqu'à un passé récent, la détection de niveau dans les solides en vrac était souvent réalisée à l'aide de détecteurs à palette rotative. Toutefois, ces appareils sont soumis à une usure mécanique et leur fonction d'auto surveillance est très limitée. Les détecteurs de niveau vibrants offrent ici des performances supérieures. En effet, en plus d'un prix avantageux, ils ne nécessitent aucun entretien. Ils garantissent une sécurité parfaite durant le remplissage et stockage par une détection à très haute fiabilité des seuils haut/bas dans les silos ou trémies. Pour la détection de niveau haut/bas dans les produits floconneux, pulvérulents, sablonneux ou de plus grosses granulométries telles que clinker ou gravier, le choix du détecteur dépend alors des conditions d'application. Pour ce faire, on tient compte de critères tels que: le colmatage du produit ; risque de coincement du produit entre les lames (grosses granulométries) ; détecteur sans usure pour les matières abrasives.
4.2.5 Dimensionnement et choix de l’interrupteur de position
Les interrupteurs de position représentés sur la figure 4.4 ont pour rôle la détection de présence ou de passage dans les équipements d'automatismes. Ils sont utilisés dans des applications très variées en raison de leurs nombreuses qualités : sécurité de fonctionnement, grande précision, immunité naturelle aux perturbations électromagnétiques, convivialité (mise en œuvre simple, fonctionnement "visible").
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Figure 4.4 : différents types d’interrupteur de position 4.2.6 Constitution d’un interrupteur de position
Les interrupteurs de position sont constitués à partir des trois éléments de base suivants :
un contact électrique ;
un corps ;
une tête de commande avec son dispositif d'attaque.
La plupart de ces appareils sont composables à partir de différents modèles de corps équipés de contacts électriques, de tête de commande et de dispositif d'attaque. Cette modularité facilite grandement la maintenance par un échange aisé de l'un des éléments.
4.2.7 Choix de l’interrupteur de positioù8n adapté au système
Comme indiqué dans le fonctionnement de notre système, l’interrupteur de position (voir figure4.5) a pour rôle de déterminer la présence de camion.
Solidaire à une tige, elle pourra descendre pour détecter la présence de camion et remonter à la fin de remplissage partiel ou total du camion ; et tout ceci dans un mouvement de translation vertical de la tige qui est mue par le moteur M1.
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D’après les exigences de notre système, nous utiliserons un interrupteur de position avec tête à mouvement rectiligne, commande à poussoir
métallique de référence XCKM110H29.
Figure 4.5 : Interrupteur de position
4.2.7.1 Fonctionnement du détecteur capacitif
Le détecteur de proximité capacitif a pour fonction de détecter un objet à distance, sans contact avec l'objet. Il peut être intégré dans le support de fixation métallique (appareil noyable) ou dégagé de tout support métallique (appareil non noyable). Il en existe de différents types représentés ci-dessous par la figure 4.6.
Figure 4.6 : différents types de détecteur capacitif 4.2.7.2 Choix du détecteur de proximité capacitif adapté au système
Comme indiqué dans le fonctionnement de notre système, le détecteur de proximité capacitif a pour rôle de déterminer le niveau haut des produits dans la benne du camion. Solidaire de la tige de façon perpendiculaire, il pourra, sans difficulté, détecter le niveau haut des produits dans le camion.
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D’après les exigences de notre système, nous utiliserons un détecteur de proximité capacitif cylindrique en métal type Noyable de référence
XT118B1FAL2.
Figure 4.7 : Détecteur de proximité capacitif
4.2.8 Dimensionnement et choix du détecteur de proximité inductif
Les détecteurs de proximité inductifs ont pour fonction essentielle de renseigner un équipement automatique, en fournissant des informations "Tout ou Rien" prélevées en certains points de la chaîne de fabrication. Les détecteurs de proximité inductifs sont principalement utilisés dans les applications industrielles : les machines d'usinage ou d'assemblage, les machines de conditionnement, les installations de convoyage, etc. Ils détectent sans contact tout objet métallique : contrôle de présence ou d'absence, détection de passage, défilement, bourrage, positionnement, codage, comptage. Afin de tenir compte des valeurs d'usage en vigueur dans les divers secteurs d'activités, les différents types de détecteurs sont proposés à la figure 4.8 ci-dessous; ils sont:
de formes rectangulaires ou cylindriques, noyables ou non noyables,
avec raccordement par câble, connecteur, connecteur déporté, alimentation 2 ou 3 fils courant continu ou alternatif.
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Figure 4.8 : différents types de détecteur inductif 4.2.8.1 Caractéristiques du détecteur de proximité inductif
Dans un grand nombre d'applications, les objets à détecter sont en acier et de dimensions égales ou supérieures à la face sensible du détecteur. Le domaine de fonctionnement correspond à l’espace dans lequel la détection de l’objet est certaine. Généralement, les valeurs indiquées dans les catalogues des produits sont données pour ces types de pièces.
4.2.8.2 Choix du détecteur de proximité inductif adapté au système étudié Le détecteur de proximité inductif de la figure 4.9 a pour rôle de détecter l’ouverture et la fermeture des trappes de la trémie. D’après les exigences de notre système, nous utiliserons un détecteur de proximité inductif cylindrique en métal, type Non noyable de référence XS618B4PAM12.
Figure 4.9 : détecteur de proximité inductif 4.2.9 Dimensionnement et choix du détecteur photoélectrique
Les détecteurs photoélectriques permettent la détection d'objets de toutes natures (opaques, transparents, réfléchissants…) dans des applications industrielles
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et tertiaires les plus diverses. La détection s’appuie sur les cinq systèmes de base suivants : barrage, reflex, reflex polarisé, proximité, proximité avec effacement de l'arrière-plan. Les appareils existent sous différentes formes : compact, miniatures, subminiatures, à fibres optiques, rectangulaires avec boîtier plastique, métalliques, ou cylindriques avec corps en plastique, métal ou inox. La conjugaison des systèmes et des formes assure une adaptation optimale à la nature de l'objet à détecter, à la place disponible et aux conditions d'environnement.
Figure 4.10 : différents types de détecteurs photoélectrique
En s’appuyant sur les cinq systèmes de base, nous avons opté pour le système de proximité avec effacement de l'arrière-plan car il est équipé d'un potentiomètre de réglage de portée. Ce dernier permet de se focaliser sur une zone de détection en évitant toute réflexion parasite sur l'arrière-plan.
Figure 4.11 : Constitution d’un détecteur photoélectrique
En l'absence de cible : Le faisceau émis, polarisé verticalement, est renvoyé par le réflecteur après avoir été dépolarisé par ce dernier. Le filtre récepteur laisse passer la lumière réfléchit dans le plan horizontal.
En présence de cible : Le faisceau émis est renvoyé par la cible sans subir de modification. Le faisceau réfléchi, polarisé verticalement, est donc bloqué par le filtre horizontal du récepteur.
4.2.9.1 Choix du détecteur photoélectrique adapté au système conçu
Comme indiqué dans le fonctionnement de notre système, le détecteur photoélectrique de la figure 4.12 a pour rôle de détecter la tige en fin de remontée.
D’après les exigences de notre système, nous utiliserons un détecteur photoélectrique cylindrique en métal à fonction de sortie réflex polarisé (E/R), de référence XUB9BPANL2.
Figure 4.12 : détecteur photoélectrique 4.3. Bloc de signalisation
Ce bloc est composé d’une sirène et d’un feu à miroir rotatif 4.3.1. Sirène
Son rôle dans notre système est d’avertir le conducteur du camion à chaque fois que la benne est partiellement remplit.
La sirène représentée par la figure 4.13 s’alimente sous 230V AC de référence XVS14MMW.
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Figure 4.13 : Sirène
Figure 4.13 : Sirène