Filière manuelle ou systèmes à basse pression

Les presses les plus simples sont des leviers plus ou moins démultipliés qui permettent de compacter des résidus à l’échelle d’une exploitation familiale.

Développant de basses pressions, elles exigent souvent de recourir à un liant pour assurer l’agglomération des résidus (Koala, 2012). La plus simple de ce type de presse peut être fabriquée au niveau du village (photo 2). Le bras inférieur de la presse est fixé sur un socle en bois. La presse est de 50 à 100 kg par briquette, soit 5 à 15 kg/cm² (Koala, 2012).

Photo 2 : Deux types de presses manuelles à levier 2.3. Caractéristiques générales des produits densifiés

Les produits densifiés se présentent sous différentes formes selon leurs aspects extérieurs, leurs compositions physico-chimiques, la nature des produits initiaux utilisés et le traitement de compactage subi (Koala, 2012). Ces variations donnent lieu à des appellations différentes des produits densifiés, et à des qualités d’utilisation variable.

2.3.1. Dimensions

Les dimensions des produits densifiés varient en fonction du procédé de densification, du type de produit et de l’utilisation finale de ces derniers. Quels que soient le type de procédé et le type de produit densifié, les produits destinés

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à l’usage industriel ont généralement des grandes dimensions comparativement à ceux destinés à l’usage domestique (tableau 9)

Tableau 9 : Dimensions de quelques produits densifiés

Source : Koala, 2012.

2.3.2. Densité

La densité du produit densifié varie en fonction du procédé de densification, de la nature et de la matière première utilisée. Le tableau 10 illustre les densités de quelques types de produits densifiés.

Dénomination du produit densifié

Diamètre du côté (mm)

Longueur (mm) Section

Briquettes 30 à 90 + de 25 Rond ou

rectangulaire

Bûches 90 + de 300 Rond ou

rectangulaire

Granulés 5 à 20 - de 40 Rond

Cubes 30 x 30 ou

45 x 38

de 50 à 75 Rectangulaire

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Tableau 10 : Densité des produits densifiés

Source : Koala, 2012

2.3.1. Le taux d’humidité

Le taux d’humidité d’un produit densifié varie dans des valeurs proches de 10%. Les valeurs limites recommandées sont de 5 à 15%. En effet une matière première qui entre dans une presse à vis avec une humidité de 25% y ressort sous forme densifié avec un taux d’humidité de 7 à 10%. Ceci est dû à la réaction fortement exothermique à l’intérieur de la chambre de compression et des matrices d’extrusion, ainsi que la compression des particules de biomasse (Koala, 2012).

Conclusion

Comme nous venons de le voir à travers cette étude bibliographique, la balle de riz est une matière lignocellulosique qui peut être agglomérée en des briquettes lorsqu’une pression très forte lui est appliquée assez rapidement.

Dénomination du produit densifié

Densité Masse volumique en vrac (kg/m³)

Briquettes 0,8 à 1,4 480 à 850

Bûches 0,8 à 1,4 960 à 1400

Granulés 0,96 à 1,1 480 à 720

Cubes 0,8 à 1,3 490 850

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DEUXIEME PARTIE :

PRESENTATION DE LA STRUCTURE DE

PROVENANCE ET D’ACCUEIL

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3. Présentation de la structure de provenance (l’EPAC) et d’accueil 3.1. Présentation de la structure de provenance (l’EPAC)

3.1.1. Historique

Fruit de la coopération bénino-canadienne, le Collège Polytechnique Universitaire (CPU), devenu Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi (EPAC) depuis 2004, est l’une des entités pédagogiques de l’Université d’Abomey-Calavi (UAC). Située à Abomey-d’Abomey-Calavi, dans le département de l’Atlantique, elle est dirigée par le Professeur Félicien AVLESSI.

3.1.2. Encrage de l’EPAC au sein de l’UAC

Figure 3 : Encrage de l’EPAC au sein de l’UAC 3.1.3. Vocation de l’EPAC

La vocation de l’EPAC est de former des cadres supérieurs (techniciens) pour le Bénin, la sous-région voire l’Afrique. Elle est une haute école de référence, reconnue par le Conseil Africain et Malgache pour l’Enseignement Supérieur

UAC

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(CAMES). Elle forme des ingénieurs et des techniciens dans maints domaines de l’industrie. Dans la dynamique et la vision prospective qui les caractérisent, les autorités ont eu de bonnes raisons de créer la filière « Machinisme Agricole » depuis 2009. Cette initiative s’accorde bien aux besoins en ressources humaines qualifiées nées de la volonté de modernisation de notre agriculture qui passe entre autres par sa mécanisation.

3.2. Présentation de la structure d’accueil 3.2.1. Présentation de l’URFMAN

L’Unité de Recherche et de Formation en Machinisme Agricole de Niaouli (URFMAN) est une entité à part entière du Programme de Technologies Agricole et Alimentaire (PTAA) du Centre de Recherches d’Agonkanmey (CRA-Agonkanmey). Le PTAA est l’un des Programmes de recherche à vocation nationale de l’Institut National des Recherches Agricoles du Bénin (INRAB). Il est créé avec les statuts de l’INRAB adoptés en 1992 pour accompagner le Benin dans sa politique de la mécanisation agricole, l’INRAB étant un établissement public à caractère scientifique et technique doté d’une personnalité judiciaire et légale, a fait ces preuves à travers les innovations dans ces activités de recherche agricole dans le monde rural au Benin. L’URFMAN, qui est sous la tutelle du PTAA, est chargée de la matérialisation des innovations technologiques des chercheurs du PTAA. Subdivisée en quatre sections, elle comprend :

 le secteur de fabrication mécanique ;

 le secteur de construction métallique ;

 le secteur de contrôle des équipements agricoles ;

 la salle de formation en machinisme agricole.

L’URFMAN se trouve au sein du Centre de Recherche Agricole sud (CRA-sud) à Niaouli dans l’arrondissement d’Attogon, commune d’Allada, département de l’Atlantique.

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3.2.2. Situation géographique de l’URFMAN

Figure 4 : Plan de situation géographique de l’URFMAN 3.2.3. Mission de l’URFMAN

Au nombre des missions assignées à l’URFMAN, elle est appelée à :

 Répondre aux besoins en équipements des transformateurs/trices et producteurs ;

 Générer des technologies à travers l’expérimentation en mécanisation pré et post-récolte ;

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 Former les fabricants d’équipements, les mécaniciens et utilisateurs à la fabrication, à la maintenance et à l’utilisation des équipements pré et post-récolte.

 Adapter les technologies agricoles existantes et concevoir de nouvelles en vue d’augmenter les rendements ;

 D’assurer la conservation des sols et d’améliorer les conditions de travail des paysans ;

3.2.4. Références techniques

Pour le moment, l’URFMAN s’investit dans le développement et l’adaptation d’équipements post-récolte, notamment :

 les équipements de transformation du manioc : trancheuse, râpeuse, presse à vis;

 les équipements de transformation du maïs : égreneuse à maïs ;

 les équipements de transformation de l’arachide : moulin à mouture humide d’arachide, malaxeur-extracteur d’huile ;

 les équipements de transformation des fruits de palme : dépulpeur, presse à huile palmiste, défibreuse, clarificateur, déshydrateur ;

 les équipements de transformation de la noix de karité : séchoir ;

 les équipements de transformation du riz : batteuse et décortiqueuse, etc.

En tant que centre de formation, l’URFMAN applique une méthodologie d’apprentissage qui met l’accent sur, d’une part, l’acquisition de connaissances théoriques et technologiques et d’autre part, sur les travaux pratiques et projets avec des outils et matériels pédagogiques professionnels permettant d’aboutir à la maîtrise des compétences nécessaires à l’exercice de la profession. Comme référence en matière de formation, nous pouvons énumérer :

 La formation du technicien de l’Institut de Technologie Alimentaire du Sénégal (ITA). Monsieur NDIAYE Youssouf, technicien à l’Institut de

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Technologie Alimentaire (ITA) de Dakar au Sénégal, a séjourné à l’URFMAN, dans le cadre d’un stage de formation ;

 Dans le cadre de la collaboration entre l’URFMAN et l’EPAC, trois (03) promotions d’étudiants de la filière Machinisme Agricole y ont suivi un stage de formation. Ce stage est réalisé sur la base d’un programme validé par l’Ecole Polytechnique d’Abomey- Calavi (EPAC) et l’URFMAN ;

 La formation d’étudiants de l’Institut de Technologie de Lokossa (IUT), plusieurs étudiants de l'IUT de Lokossa ont réalisé à l'URFMAN leur stage de fin de formation pour l'obtention du diplôme de Licence Professionnelle.

Il faut souligner que les équipements utilisés à l’URFMAN lors des prestations sont à la hauteur des ambitions légitimes des apprenants quant à leur qualité et similitude avec ceux utilisés dans les entreprises. Quel que soit le type de formation, une attestation précisant la teneur du stage (thème, durée) sanctionne le cursus suivi.

3.2.5. Travaux effectués

Au cours de notre stage, plusieurs travaux ont été faits dans l’atelier mécanique. Voici une liste des travaux effectués :

 Travaux de soudage ;

 Travaux d’affutage, de meulage ;

 Travaux de réalisation des grilles ;

 Construction des équipements ;

 Des opérations sur le tour comme : le dressage, le chariotage, le perçage, le filetage, le chanfreinage, réalisation d’une poulie ;

 Montage de tout type de roulement

 Exercice de modélisation de quelques pièces sur topsolid

En voici quelques photos montrant les travaux effectués sur le lieu du stage :

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Photo 3: Le chariotage sur le tour Photo 4: Le sciage de fer rond

Photo 5: Le découpage de tôle noir Photo 6: Réalisation de grille

 Exercice sur le logiciel TopSolid

 Définition

TopSolid est un logiciel de Dessin Assisté par Ordinateur (DAO) ou Conception Assisté par Ordinateur (CAO) dont le but premier est de faire la conception des pièces mécaniques.

 Photo de quelques Exercices faits avec le logiciel topsolid

Photo 7 : pulvériseur Photo 8 : Gyrobroyeurs

 Réalisation d’une égreneuse motorisée de maïs :

L’équipement est constitué d’une trémie, d’une grille, d’un tambour portant des marteaux, d’un ventilateur, d’un moteur, d’une poulie à deux gorges et bien d’autres éléments qui participent aussi à son bon fonctionnement.

En effet, le mécanisme a pour fonction de séparer les grains de maïs de l’épi et de brasser d’air sur ces grains via le ventilateur afin de les débarrasser des autres impuretés.

Photo 9: Egreneuse de maïs

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TROISIEME PARTIE

^:

ETUDE ET CONCEPTION D’UNE

PRESSE DE DENSIFICATION

Bonaventure A. FAGNON Machinisme Agricole/ 2013-2014 Page 34

4. Etude et conception d’une presse de densification à balle de riz 4.1. Caractérisation physique et mécanique de la balle de riz

et du bois du teck

Une meilleure connaissance des caractéristiques physiques et mécaniques du matériel végétal mise en œuvre dans la fabrication des briquettes, permettra une approche plus précise dans le choix des matériaux et des calculs de

résistances.

Cette partie est consacrée dans un premier temps, aux matériels et méthodes utilisés pour la caractérisation du matériel végétal ainsi que les résultats obtenus. Dans un second temps, nous présenterons la structure de la machine avec la description de ces composantes et nous finirons par le

dimensionnement des différentes pièces de la machine.

4.1.1. Matériels et méthodes 4.1.1.1. Matériel

 Matériel végétal

Le matériel végétal utilisé est constitué d’échantillons de balle de riz prélevés dans l’unité de décortiquerie d’Adjohoun (CAFROP) lors de nos visites et du bois de teck. Quelques coques de riz ont été prises et des échantillons de teck afin de poursuivre les travaux de laboratoire. Pour évaluer les caractéristiques des briquettes obtenues à partir des balles de riz à celles du bois, le choix de l’étude a porté sur le bois de teck.

Photo 10 : Echantillon de la balle de riz et du bois du teck

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 Matériels de laboratoire

La caractérisation de la balle de riz et du bois de teck a été effectuée au sein du laboratoire du PTAA. Le matériel de laboratoire utilisé est composé :

 d’une balance électronique de précision ;

 d’une éprouvette graduée ;

 du dispositif de mesure de la charge de brisure ;

 d’une étuve pour la teneur en eau ;

 et enfin, d’un dispositif de mesure du coefficient de frottement de la matière sur les tôles.

4.1.1.2. Méthodes

 Evaluation massique et détermination de la teneur en eau des balles de riz et du bois de teck.

A l’aide de la balance électronique on détermine la masse d’un volume de 200 ml de balle de riz et du teck de diamètre 40 mm de longueur 50 mm. Cinq (5) grammes de chaque échantillon sont mis à l’étuve pendant 24 heures afin de déterminer la teneur en eau des coques et du teck ; 03 essais ont été effectués.

- m : masse de l’échantillon après évaporation d’eau (g)

Photo 11 : Prise de la masse

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 Evaluation volumique des balles de riz et du bois de teck

 Volume spécifique

Pour déterminer le volume spécifique, une masse de 150 g de chaque échantillon a été versé dans une éprouvette graduée. Après avoir tassé ce dernier, on lit le volume occupé par l’échantillon. Le volume spécifique des balles et du teck est le volume de l’échantillon mesuré tel qu’il se loge dans un récipient de volume connu, avec le vide inter-granulaire naturel.

 Volume réel et masse volumique

Ici, il s’agit de déterminer le volume réel de 150 g prélevé dans chaque échantillon. En se basant sur le principe d’Archimède, on procède comme suivant :

 Remplissage de l’éprouvette d’une quantité d’eau précise ;

 Ajout des 150 g d’échantillon prélevé ;

 Mesure du volume d’eau excédentaire.

Les résultats de cette opération nous ont permis de calculer le volume réel moyen d’une tige et d’évaluer la masse volumique de cette dernier ;

 Evaluation du coefficient de frottement

La méthode du plan incliné a été utilisée pour calculer le coefficient de lentement jusqu’au moment où la coque qui y est posée bouge. L’angle maximal au repos θ est choisi dans l’abaque de détermination des angles.

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Le coefficient de frottement recherché est donc la tangente de l’angle maximal déterminé :

μ_s = tanβ

Photo 12 : Dispositif de détermination du coefficient de frottement

 Evaluation de la charge de brisure

L’effort à la rupture est la caractéristique qui influence le plus directement la brisure. La mesure de la force de rupture du teck a été réalisée par la méthode de l’évaluation de la résistance à la compression avec un dispositif constitué d’une presse et d’une balance. On prélève au hasard 6 teck de hauteur 10 mm.

La force nécessaire à la brisure des tecks a été déterminée suivant la position d’équilibre. Le teck est disposé sur le plateau de la balance, et on agit sur la presse qui communique l’effort appliqué au teck axialement dans un premier temps et dans un second temps radialement jusqu’à la brisure. La masse appliquée pour écraser le bois de teck détermine l’effort de brisure. La valeur maximale de la mesure sur chaque teck représente la force à l’écrasement du teck.

Photo 13 : Dispositif de détermination de la charge de brisure

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4.2. Résultats et discussions

4.2.1. Caractérisation des coques de riz et du teck 4.2.1.1. Masses et teneur en eau

Le tableau 11 présente la teneur en eau (ou taux d’humidité) des balles de riz et du teck, ainsi que la masse de 200 ml de balle et d’un teck de longueur 50 mm et de diamètre 40 mm.

Tableau 11 : Taux d’humidité et masse de la balle et du teck

Les résultats obtenus montrent que le taux moyen d’humidité des balles de riz (9,25 %) est supérieur au taux moyen d’humidité du teck (7,13%).

Le tableau 12 quant à lui présente les valeurs relatives aux volumes et à la masse des balles et du teck.

Tableau 12 : Volume spécifique, volume réel, masse volumique spécifique et masse volumique réelle de 150g de balle de riz et du bois de teck

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4.2.1.1. Coefficient de frottement de la balle de riz et force de brisure du bois de teck L’angle de frottement au repos est l’angle à partir duquel, la coque peut se déplacer de lui-même. Sa valeur est celle dont on doit au minimum incliner les surfaces planes si elles doivent être un canal de sortie pour les balles après le pressage. Dans le cas contraire, les coques de riz risquent de se stationner dans l’équipement. La force de brisure quant à elle, nous aide à connaitre la valeur limite à ne pas dépasser pour éviter de briser le bois de teck. D’après les résultats de la caractérisation la force de brisure maximale est F = 1552,43 N

Tableau 13 : Angle au repos et coefficient de frottement de la balle de riz et l’effort de brisure du bois de teck

Produit Angle au repos

Coefficient de frottement

Effort de brisure Balle de

riz 31 0,6 /

Bois de

teck / / 1552,43

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4.3. Etude de la structure de la machine 4.3.1. Esquisse de la machine proposée

Figure 5 : Esquisse de la machine (1) Vis d’Archimède

(2) Zone de bouchon par compression (3) Zone de bouchon

(4) Zone de poussée (5) Trémie

(6) Châssis

(7) Réducteur de vitesse (8) Cage

(9) Système d’accouplement (10) Poulie réceptrice (11) Poulie motrice (12) Courroie

8 7 5

1

6

4 2 3

M

×

9 10

11 12

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4.3.2. Fonctionnement

Le moteur mise en marche, entraine par l’intermédiaire de la poulie-courroie et un réducteur de vitesse (7) la vis d’Archimède en mouvement de rotation. La vis d’Archimède est reliée au réducteur par un système d’accouplement. Les balles de riz introduites par la trémie sont entrainées par la vis d’Archimède qui convoie les balles dans la cage (8) pourvu d’un étranglement conique plus ou moins accentué qui freine la progression des balles dans les zones (2), (3) et (4). Ce frein provoque dans ses zones le frottement des balles contre les parois du tube et permet le compactage des balles. La balle ainsi compactée est récupéré par la zone de bouchon (3).

4.3.3. Description de la machine

4.3.3.1. Proposition de la machine La machine ainsi proposée est illustrée par la figure ci-dessous :

Photo 14 : Vue en perspective de la presse 4.3.3.2. Les composants de la presse

La presse que nous étudions comporte les éléments suivants à savoir :

 La trémie

Photo 15 : La trémie

Construction mécano-soudée en tôle noire ayant la forme d’une pyramide tronquée. La trémie permet d’alimenter le tambour en tourteau. Sa forme ovale

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offre la possibilité d’utiliser de grands récipients pour le chargement et permet de guider le tourteau à l’intérieur du tambour. Réalisée en mécano-soudé, elle est montée à l’extrémité gauche du tambour.

 La cage

Photo 16 : La cage

Ouvrage mécano-soudé à l’intérieur duquel l’opération se déroule. Elle est réalisée en tôle noire et est destinée à recevoir et traiter la quantité de balle. Elle est obtenue à partir de la tôle noire enroulée à un diamètre défini et soudé de manière à former un cylindre pourvu des étranglements coniques plus ou moins accentué qui freine la progression de la matière.

 Le châssis

Photo 17 : Le châssis

Le châssis est d’une construction mécano-soudée. Il est réalisé principalement avec des cornières en fer pour garantir la stabilité. Il sert à supporter toutes les autres composantes de la machine. Il sert à assurer le maintien de la machine à une hauteur acceptable pour l’utilisateur et à fixer la machine au sol pour éviter tout mouvement gênant.

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 La vis d’Archimède

Photo 18 : La vis d’Archimède

Elle sert de vis d’alimentation pour la cage. La vis d’alimentation se retrouve après assemblage juste en dessous de la trémie convoie les balles de riz vers les zones de poussée et de bouchon pour permettre leur compactage.

 Réducteur de vitesse

Photo 19 : Le réducteur de vitesse

C’est l’ensemble qui fournit la vitesse de rotation nécessaire au fonctionnement de la machine utilitaire. Cet ensemble est constitué d’un système de transmission poulie courroie et d’un réducteur à vis sans fin et roue.

Le couple obtenu au niveau de la vis d’Archimède dépend de ces transmissions.

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4.4. Dimensionnement des différentes pièces de la presse

4.4.1. Détermination des dimensions de la cage et du diamètre de l’axe de la vis

4.4.1.1. Longueur de la cage

 Longueur de la vis

Figure 6 : Schéma du développement d’un filet

la vis doit permettre une alimentation continue. Il faut alors que le déplacement d’un volume maximal de balle de riz soit réalisé en un temps très court. Elle comporte plusieurs filets de pas (P) égal à 60 mm. Nous adopterons un temps (t) d’alimentation égal à secondes.

En interprétant la figure ci-dessus, nous avons : 2π P

Bonaventure A. FAGNON Machinisme Agricole/ 2013-2014 Page 45

Soit L la longueur de la cage donc : L = X1 + X2 +X3 +X4

Soient X1 la distance parcourue par les balles dans la zone d’alimentation de pas p₁

X₂= 350 mm celle de la zone de poussée ;

X3=230 mm celle de la zone de bouchon par compression ;

X3=230 mm celle de la zone de bouchon par compression ;

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