Plan de cisaillement
3.2 Les outils producteurs des plaquettes de chauffage
Les machines industrielles produisant des plaquettes de chauffage ne sont pas très nombreuses et les technologies dépendent davantage de critères comme le coût, la mobilité, la production etc. que de la façon de produire les plaquettes. En effet, la plupart de ces machines possèdent un système de coupe particulier, des organes de transmission les plus simples possibles et surtout une source d’énergie surdimensionnée pour faire fonctionner le tout. Cette tendance est en cours d’évolution puisqu’ aujourd’hui, plus qu’avant encore, l’heure est à l’économie d’énergie et l’on se penche de plus en plus sur la façon de couper plutôt que sur la puissance du moteur. Ce chapitre est donc dédié à l’étude des systèmes de coupe permettant la fabrication de plaquettes de chauffage. L’étude, plus globale, de l’intégralité des systèmes de broyage, puissances installées, alimentation et évacuation des produits etc. est détaillée en annexes (annexe 2.3).
3.2.1 Les broyeurs forestiers
Les plaquettes pour le bois énergie peuvent être fabriquées par déchiquetage de morceaux de bois (billons, branches…) provenant de la forêt. L’opération de déchiquetage consiste à découper les plaquettes de bois et de les calibrer en partant des produits issus de l’abattage et du façonnage, cette opération est souvent réalisée sur le chantier forestier ou proche de celui-ci. Un synoptique détaillé de cette filière est situé en annexes (annexe 2.2).
Les déchiqueteuses (ou broyeurs) sont des machines possédant des outils en rotation qui fragmentent le bois. Un broyeur est caractérisé par plusieurs éléments constitutifs:
• Son outil de coupe (disque, tambour ou autres…) • L’alimentation en bois
• Sa capacité de broyage
• Sa capacité de production/sa puissance
L’entreprise NOREMAT est également revendeur de matériels de broyage forestiers servant la plupart du temps à réduire le volume des branches issues de l’élagage des haies de bords de routes. Ils proposent toute une gamme allant du plus petit broyeur à disque alimenté par la prise de force du tracteur au plus gros broyeur à tambour avec moteur indépendant.
3.2.1.1 Le broyeur à disque
Le broyeur à disque comporte plusieurs couteaux disposés radialement et des orifices munis de “peignes” ou “éclateurs”. Lors du passage d’un couteau au niveau de la branche à déchiqueter, une tranche est sectionnée sous l’effort de cisaillement entre le couteau et le contre couteau, elle traverse l’orifice en se fractionnant sur les éclateurs et ensuite est éjectée dans la goulotte de la machine. Les copeaux sont éjectés par force centrifuge et par le courant d'air produit par la rotation des pales fixées à l'arrière du disque. Ce dispositif se retrouve en général sur les machines de petites et de moyennes capacités (XFigure 69X) [LAURIER,TD57DT].
Éclateurs/peignes Moteur hydraulique
d’entraînement des rouleaux ameneurs
Couteaux droits disposés radialement
Rouleau d’alimentation supérieur Contre-couteau
Rouleau ameneur inférieur
Figure 69 : Principe de fonctionnement d’un broyeur à disque (NOREMAT)
Ce sont les conditions de coupe qui déterminent la calibration des plaquettes : vitesse d’avance des rouleaux ameneurs, saillie des couteaux par rapport au disque, vitesse de rotation du disque, régulation de cette vitesse. Actuellement, Rami ABDALLAH, étudiant en thèse au LERMAB, effectue des
recherches sur ces systèmes de coupe. Il a mis en évidence les paramètres intervenant lors de la formation de la plaquette en déchiquetage du bois [TD58DT].
Z R θ N V M o Z R θ N V M o γ β α fz H U V h N M O X j Vf M` γ β α fz H U V h N M O X j Vf M`
Figure 70 : Récapitulation des paramètres de coupe influant sur la formation des plaquettes en déchiquetage par broyeurs à disques.
Sur la XFigure 70X, nous retrouvons les angles de coupe α, β et γ, la vitesse d’avance du bois Vf, l’avance par dent fz (avance du bois entre chaque passage de dent, paramètre dépendant de Vf et de la vitesse de coupe Vc). Pour le déchiquetage, le mode de coupe est le 90-90 et l’on ne peut pas vraiment parler de travail en opposition ou en avalant étant donné que le bois avance perpendiculairement au plan de coupe.
3.2.1.2 Le broyeur à tambour
Le broyeur à tambour est un cylindre muni de couteaux, ou séries de couteaux, qui sont fixés sur toute la largeur du tambour (ou rotor). Le diamètre du tambour est inférieur à celui d'un disque porte-couteaux, à capacité identique. La granulométrie désirée correspond au maillage d'une grille qui joue en quelque sorte le rôle de tamis et d'éclateur (XFigure 71X) : les copeaux restent soumis à l'action du rotor tant qu'ils ne peuvent pas traverser cette grille, on limite ainsi les queues de déchiquetage. Selon les fabricants, on trouve des grilles de tailles et de formes différentes.
Figure 71 : Principe de fonctionnement d’un broyeur à tambour (NOREMAT)
Toujours suivant les travaux de Rami ABDALLAH, l’usinage des broyeurs à tambour est plutôt en avalant. La XFigure 72X nous montre également les grandeurs de coupe pour le broyeur à tambour : on retrouve l’avance par dent fz, la vitesse d’avance Vf et les angles de coupe sont les mêmes que pour le broyeur à disque. 2R θ fz N U V O Vf M h M` 2R θ fz N U V O Vf M h M`
Figure 72 : Récapitulatif des paramètres de coupe influant sur la formation des plaquettes en déchiquetage par broyeurs à tambour
Les auteurs [X57X] ne sont toujours pas en accord sur la meilleure technologie à adopter pour fabriquer de la plaquette de chauffage de qualité. Le broyeur à disque est souvent moins cher à l’achat que le tambour à capacité de production équivalente. Par contre, les coûts de production des deux sont difficiles à estimer. En ce qui concerne la granulométrie, la présence de grille de calibrage et l’inertie plus importante du tambour défavorisent souvent le broyeur à disque. A l’achat le choix se portera le critère du prix et de la productivité.
3.2.1.3 Analyse du broyage
Selon BUCHAN et DUCHNICKI [TD59DT], les plaquettes se forment selon deux mécanismes différents, le fendage et le tranchage. Le tranchage est l’action de l’arête de coupe sur la matière et le fendage est la séparation des particules entre elles par l’énergie du couteau dissipée dans la matière. Le pourcentage des plaquettes produites par le fendage est plus grand que celui produite par le tranchage. Et selon UHMMEIER [TD60DT], qui a analysé par vidéo l’opération de formation des plaquettes, une zone de bois compressée se forme devant l’arête de coupe, cette zone se déplaçant devant le couteau pénétrant dans le bois. Alors des fissures se forment selon deux cas : soit la cohésion du bois est bonne et c’est l’énergie du couteau qui propage la fissure (tranchage), soit la cohésion du bois est plus mauvaise et c’est l’énergie d’élasticité du bois qui propage la fissure (fendage). Le terme de fendage désigne alors la séparation des plaquettes entre elles par l’action combinée d’une séparation des fibres suivant un plan parallèle aux fibres et un cisaillement parallèle au fibres. Dans le premier cas, ce sont les conditions seules de coupe qui déterminent la forme et l’état de surface de la plaquette et dans le deuxième cas, ce sont les conditions de coupe additionnées des propriétés physiques du bois : résistance mécanique, cohésion des fibres, humidité…
Face obtenue par fendage Face obtenue par tranchage
Figure 73 : état de surface d’une plaquette d’acacia obtenue par déchiquetage à disque
Pour le broyage à tambour, le mode de coupe utilisé est le travail en avalant et la formation des copeaux est décrite XFigure 74X. Tout comme le mode de coupe en opposition décrit précédemment, on distingue plusieurs phases de formation du copeau : cette fois-ci, le copeau commence par être plus épais et se termine de façon plus fine. L’orientation du fil du bois limite la propagation de fissure et ainsi favorise la création de copeaux de type II selon GOLI [TD61DT].
Fp Fn Fn Fn Fp Fp Fp Fn Fn Fn Fp Fp
Lors de la formation de copeaux et à plus forte raison de plaquettes de chauffage, les phénomènes de propagation de fissures interviennent très largement. Selon McKenzie [X41X], l’arête tranchante contraint les fibres jusqu’à rupture de ces dernières. Il a identifié cinq zones dans lesquelles les fissures peuvent apparaître (XFigure 75X). Ces fissures sont dues aux contraintes de cisaillement en direction du fil, aux contraintes de traction perpendiculaires au fil et à la flexion des fibres autour de l’arête de coupe.
Arê te d e co upe Plan de coupe Mouvement γ e D ir ec ti o n de