HAL Id: tel-02917976
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To cite this version:
Benjamin Hatton. Modélisation d’un procédé de bûcheronnage mécanisé. Autre [cond-mat.other]. Université Blaise Pascal - Clermont-Ferrand II, 2014. Français. �NNT : 2014CLF22490�. �tel-02917976�
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Université BLAISE PASCAL - Clermont II
École Doctorale
Sciences Pour l’Ingénieur de Clermont-Ferrand
Thèse de doctorat
Présentée par
Benjamin HATTON
Pour obtenir le grade de
Docteur d’Université
Spécialité : Génie Mécanique
Modélisation d’un procédé
de bûcheronnage mécanisé
Soutenue le 29 Septembre 2014 devant le jury composé de :
M. Patrick Martin Professeur émérite Président
M. Damien Chablat Directeur de recherche CNRS, IRCCyN Rapporteur M. Robert Collet Maître de conférences HDR, Arts et Métiers
ParisTech Cluny/LaBoMaP Rapporteur
M. Grigore Gogu Professeur des universités, IFMA/Institut
Pascal Directeur
M. B. Chedli Bouzgarrou Maître de conférences, IFMA/Institut Pascal Co-encadrant M. Vincent Gagnol Maître de conférences, IFMA/Institut Pascal Co-encadrant M. Emmanuel Cacot Responsable Équipe Approvisionnement,
FCBA Membre invité
M. Jean-Christophe Fauroux Maître de conférences, IFMA/Institut Pascal Membre invité
C
es travaux de recherche ont été réalisés au sein de l’Institut Pascal et de l’Institut Français de Mécanique Avancée. Ils font partie du projet FUI ECOMEF et sont financés par le Conseil général du Puy-de-Dôme, le Conseil régional d’Auvergne et par le Fonds européen de développe-ment régional 2007-2013 (FEDER - région Auvergne). Ces organismes sont remerciés pour leur soutien financier.Pour leurs conseils avisés et pour m’avoir encadré pendant ces trois années : mon directeur Pr. Grigore Gogu ainsi que mes deux co-encadrants Belhassen Chedli Bouzgarrou et Vincent Gagnol.
Pour avoir accepté d’examiner ce travail mais aussi de présider le jury de soutenance : Pr. Patrick Martin.
Pour avoir accepté la fonction de rapporteur et pour avoir porté sur ces travaux leurs regards experts, de chercheurs respectivement spécialistes de l’étude de la coupe du bois frais et des systèmes multicorps : Robert Collet et Damien Chablat.
Pour sa bonne humeur et ses bons conseils : Emmanuel Cacot.
Pour mon goût pour Linux, les logiciels libres et la rigueur de travail : Jean-Christophe Fauroux.
Pour les discussions constructives, les essais, les bons moments et les croissants : Guillaume Dargnat et Céline Devemy.
Pour les nombreuses fois où nous avons refait le monde ensemble : David Goubet.
Pour ces trois années de réunions et d’essais : l’ensemble des membres du projet ECOMEF.
Pour leur aide concernant les essais expérimentaux : Michel Dréan et Nicolas Blanchard.
Pour les nombreuses tranches de rire et les bons moments de procras-tination et aussi pour m’avoir apporté leur aide ou leur avis sur différents sujets relatifs à la dure vie de doctorant : l’ensemble des doctorants de feu le cinquième étage de l’IFMA, et plus particulièrement Julien Boudet et Pierre Garnier, spécialistes ès LATEX et ondes sonores s’il en est et Cédric
Nguyen, grand maître des plans d’expériences.
Pour m’avoir aidé à traverser cette épreuve et à en sortir plus fort : Martine Laizeau.
Pour avoir cru en moi et m’avoir soutenu : Alain et Annette Hatton, Evelyne Grunberg, Marianne Hurel, Capucine Hurel.
Pour ses encouragements sarcastiques et ses systèmes de pistons : Di-mitri Hatton.
Pour le soutien moral et psychologique, le service Plaintes et réclama-tions24h/24h 7j/7, la relecture : Mélanie Hurel.
Pour m’avoir permis de ne pas perdre de vue mon objectif, et pour avoir su me faire oublier mes tracas : Robin Hatton Hurel.
Table des matières vi
Liste des figures viii
Liste des tableaux xii
Introduction 1
1 Bûcheronnage mécanisé et projet ECOMEF 5
1.1 Le bûcheronnage mécanisé . . . 6
1.1.1 Historique de la mécanisation forestière. . . 7
1.1.2 Architecture d’une tête de bûcheronnage . . . 9
1.1.3 La mécanisation en peuplements feuillus . . . 11
1.2 Le projet ECOMEF. . . 16 1.2.1 Présentation générale. . . 16 1.2.2 Partenaires et financeurs . . . 16 1.2.3 Démarche et objectifs. . . 17 1.3 Besoins en modélisation . . . 18 1.3.1 Intérêt de la modélisation . . . 18
1.3.2 Décomposition fonctionnelle du besoin en modélisation . 19 1.4 Étude expérimentale préliminaire. . . 20
1.4.1 Études existantes . . . 20
1.4.2 Objectifs. . . 21
1.4.3 Instrumentation et protocole d’essais . . . 21
1.4.4 Résultats obtenus . . . 23 1.4.5 Conclusion . . . 24 1.5 Verrous scientifiques. . . 25 1.5.1 L’ébranchage . . . 25 1.5.2 L’entraînement . . . 26 1.5.3 Le passage de flexuosités. . . 26 Conclusion . . . 27
2 Étude des efforts de coupe 29 2.1 État de l’art . . . 31
2.2 Analyse de l’ébranchage par corrélation d’images . . . 33
2.2.1 Présentation du pendule dynamométrique . . . 34
2.2.2 Définition des essais . . . 34
2.2.3 Résultats obtenus . . . 37
2.3 Modélisation de l’ébranchage . . . 40
2.3.1 Hypothèses . . . 43
2.3.2 Présentation du modèle proposé. . . 44
. . . 50 2.4.3 Recalage . . . 52 2.4.4 Résultats obtenus . . . 59 Conclusion . . . 66 3 Étude de l’entraînement 67 3.1 État de l’art . . . 69
3.2 Modélisation de l’entraînement par obstacle . . . 69
3.2.1 Hypothèses . . . 71
3.2.2 Modèle analytique de calcul des surfaces équivalentes . . 74
3.2.3 Validation CAO du modèle analytique . . . 77
3.2.4 Influence des paramètres sur les surfaces équivalentes globales . . . 82
3.3 Caractérisation expérimentale de σ⊥ etσk . . . 87
3.3.1 Présentation des bancs d’essai . . . 87
3.3.2 Direction de serrage . . . 89
3.3.3 Prise en compte de l’écorce . . . 92
3.3.4 Direction d’avance . . . 95
3.3.5 Détermination d’un coefficient d’adhérence équivalent . . 97
Conclusion . . . 100
4 Intégration de modèles dans la simulation multicorps 101 4.1 État de l’art . . . 103
4.2 Modélisation géométrique de troncs flexueux. . . 105
4.2.1 Objectifs. . . 105
4.2.2 Présentation du modèle proposé . . . 106
4.2.3 Adaptation du modèle au chêne et au hêtre. . . 110
4.3 Passage de flexuosités pour différentes architectures 115 4.3.1 Hypothèses de construction du modèle . . . 116
4.3.2 Présentation du modèle proposé . . . 117
4.3.3 Recalage du modèle et simulation . . . 126
4.3.4 Résultats obtenus . . . 129
4.3.5 Architectures cinématiques envisagées . . . 133
4.3.6 Étude de conception et comparaison entre architectures . 136 4.4 Intégration des modèles. . . 139
4.4.1 Modèle d’entraînement. . . 139
4.4.2 Modèle d’ébranchage. . . 140
4.4.3 Résultats obtenus . . . 142
Conclusion . . . 146
Conclusion générale et perspectives 147 Annexes 151 A Décomposition fonctionnelle du besoin 152 A.1 Fonction A1 - Serrage du tronc . . . 153
A.2 Fonction A2 - Entraînement du tronc . . . 155
A.3 Fonction A3 - Ébranchage . . . 156
A.4 Fonction A4 - Abattage/billonnage . . . 156
B.2 Matériels nécessaires . . . 158
B.3 Quelles mesures ? . . . 158
B.3.1 Reconnaissance et choix des arbres . . . 158
B.3.2 Indications préliminaires . . . 159
B.3.3 Abattage des arbres échantillons. . . 159
B.4 Mesures à réaliser . . . 159
B.4.1 Mesures . . . 159
B.4.2 Récapitulatif des mesures . . . 161
B.4.3 Façonnage de l’arbre . . . 161
C Schéma hydraulique de la tête Kesla 25RH 162 D Présentation du modèle de Weber et Penn 163 D.1 Présentation générale . . . 163
D.2 Paramètres de forme . . . 164
D.3 Paramètres spécifiques au tronc . . . 165
D.4 Paramètres définis pour chaque niveau . . . 166
D.5 Liste exhaustive et description des paramètres . . . 167
Bibliographie 169
Liste des figures
1.1 Opérations mécanisées du système bois court . . . 61.2 Silhouette d’une abatteuse double prise (Kellogg et al. 1993) 7 1.3 Architecture générale d’une abatteuse forestière . . . 8
1.4 Évolution de la récolte et des effectifs (Laurier 2006) . . . 9
1.5 Tête simple prise d’abattage/façonnage Kesla 25RH (Kesla Oyj 2013) . . . 9
1.6 Cinématiques de serrage classiques : serrage concentrique (a) et latéral (b) . . . 10
1.7 Tête Keto 51 Supreme Ecotilt à chenillettes (Kone-Ketonen Oy 2011) . . . 11
1.8 Parc machines et taux de mécanisation résineux et feuillu (Cacot 2007) . . . 12
1.9 Jeune chêne flexueux . . . 12
1.10 Cépée de châtaigniers . . . 13
1.11 Plantage du couteau fixe . . . 14
1.12 État du tronc après patinage des rouleaux. . . 14
1.13 Plantage d’un couteau dans une grosse branche . . . 15
1.14 Tête CTL 40 HW (CTL Technology GmbH 2008) . . . 16 1.15 Niveau A0 du diagramme bloc du processus de modélisation 19
1.17 Instrumentation de la tête . . . 22
1.18 Capteurs d’effort montés sous les couteaux mobiles . . . 23
1.19 Acquisition type pour le façonnage d’un arbre . . . 24
2.1 Modélisation DEM de la fragmentation des plaquettes (Pfeiffer et al. 2013b) . . . 31
2.2 Liens entre les éléments de la DEM . . . 31
2.3 Le pendule dynamométrique . . . 35
2.4 Profil du couteau (unités : mm, deg) . . . 35
2.5 Configuration de l’essai pour la corrélation d’images . . . . 36
2.6 Champ de déformation, direction z. . . 37
2.7 Champ de déformation en cisaillement . . . 38
2.8 Champ de déformation, direction x . . . 38
2.9 Défaillance des fibres lors de seconde phase . . . 40
2.10 Paramètres de coupe dans l’opération d’ébranchage. . . 41
2.11 Paramètres géométriques du modèle de coupe . . . 42
2.12 Profil des couteaux nervurés (unités : mm, deg) . . . 43
2.13 Portion d’ellipse . . . 44
2.14 Série d’étapes du calcul des surfaces équivalentes . . . 46
2.15 Comparaison des méthodes de calcul des surfaces équiva-lentes . . . 48
2.16 Le banc à vitesse lente . . . 49
2.17 Fonctionnement du filtrage par parties . . . 51
2.18 Montage du transducteur de force avec précharge sur le pendule. . . 52
2.19 Influence de la vitesse sur l’effort maximal de coupe . . . . 53
2.20 Démarche de caractérisation du modèle . . . 54
2.21 Effort maximal en fonction de la surface de la branche . . . 59
2.22 Énergie totale en fonction de la surface de la branche . . . . 60
2.23 Effort de coupe expérimental et modélisé (vitesse réelle) . . 63
2.24 Profondeur de pénétration expérimentale et modélisée (vi-tesse réelle). . . 64
2.25 Effort de coupe expérimental et modélisé (vitesse lente) . . 65
3.1 Rouleau à picots elliptiques . . . 68
3.2 Définition des surfaces frontales et transversales (Klamecki 1976) . . . 70
3.3 Étapes de la démarche de modélisation . . . 71
3.4 Définition géométrique du picot elliptique . . . 72
3.5 Portions d’ellipse . . . 72
3.6 Caractéristiques morphologiques de l’écorce (Dupouey 1983) 73 3.7 Surface frontale Af . . . 75
3.8 Motif considéré : rangées en quinconce autour d’un picot de référence (en rouge). . . 76
3.9 Surface transversale At . . . 77
3.10 Intersection booléenne entre tronc et rouleau dans OpenSCAD 78 3.11 Erreur relative lors du calcul des surfaces globales transver-sale (a) et frontale (b), r = 350 mm . . . 79
3.14 Utilisation simplifiée du modèle . . . 82
3.15 Détermination du coefficient kt−f . . . 82
3.16 Évolution des surfaces équivalentes en fonction du diamètre du tronc . . . 83
3.17 Évolution des surfaces équivalentes par type de picot . . . . 84
3.18 Différentes géométries V-Steel (Log Max AB 2013) . . . 85
3.19 Mobilités offertes par les plaques adaptables Moipu (Moisio Forest Oy 2012) . . . 85
3.20 Évolution des surfaces équivalentes en fonction du diamètre du rouleau . . . 86
3.21 Variation de la hauteur des picots au sein d’une rangée . . . 87
3.22 Présentation du banc d’essai de serrage . . . 87
3.23 Positionnement du capteur d’écrasement du tronc . . . 88
3.24 Présentation du banc d’essai d’entraînement . . . 89
3.25 Principe de l’essai brésilien (Kourkoulis et al. 2012) . . . 90
3.26 Déformation du tronc en fonction de l’effort de serrage ap-pliqué . . . 91
3.27 Comparaison de la densité de probabilité de ratio⊥ à une loi normale . . . 93
3.28 Profondeur de pénétration équivalente en fonction de l’épaisseur d’écorce . . . 95
3.29 Comparaison de la densité de probabilité de ratiok à une loi normale. . . 97
3.30 Effort maximal transmissible en fonction de l’effort de ser-rage appliqué . . . 98
3.31 Évolution du coefficient cadhpar type de picot . . . 99
3.32 Évolution du coefficient cadhen fonction du diamètre du tronc 99 3.33 Évolution du coefficient cadh en fonction du diamètre du rouleau . . . 100
4.1 Simulation d’une abatteuse utilisant la bibliothèque AgX (Algoryx Simulation AB 2011). . . 105
4.2 Définition des paramètres de courbure (modèle initial) . . . 107
4.3 Utilisation de la seconde courbure (vue de dessus) . . . 108
4.4 Positionnement du point Pn+1 . . . 108
4.5 Principaux paramètres de définition des arbres. . . 110
4.6 Arbre généré par le modèle initial (à gauche) et par le mo-dèle proposé (à droite) . . . 113
4.7 Autre arbre généré par le modèle initial (à gauche) et par le modèle proposé (à droite) . . . 114
4.8 Représentation filaire du tronc et contraintes "point sur courbe" . . . 116
4.9 Schémas cinématiques d’une tête de bûcheronnage à ser-rage concentrique (a) et latéral (b) des rouleaux . . . 117
4.10 Différentes pièces du modèle multicorps ADAMSTM . . . 118
4.11 Paramétrage des sous-assemblages couteaux . . . 118
4.12 Paramétrage du sous-assemblage rouleaux . . . 119
4.14 Évolution du coefficient de frottement en fonction de la
vi-tesse de glissement (MSC Software 2013) . . . 123
4.15 Modèle de frottement défini par l’ARMEF (Gay et al. 1983). 124 4.16 Angle associé au phénomène de plantage des couteaux dans le tronc . . . 125
4.17 Plantage d’un couteau mobile supérieur. . . 125
4.18 Répartition des masses entre les châssis 1’, 1 et 1” . . . 127
4.19 Serrage des couteaux (a), des rouleaux (b) et entraînement du tronc (c). . . 128
4.20 Défilement du tronc dans un châssis fixe . . . 129
4.21 Puissance fournie à chaque rouleau et puissance totale . . . 131
4.22 Couple moteur au niveau de chaque rouleau . . . 131
4.23 Efforts tangentiels de contact entre le tronc, les châssis et les couteaux supérieurs . . . 131
4.24 Déplacement et vitesse du tronc . . . 132
4.25 Analyse du phénomène de plantage . . . 132
4.26 Schéma cinématique équivalent (Goubet 20141). . . 133
4.27 Différentes architectures cinématiques (Goubet 20141) . . . . 134
4.28 Solutions de châssis articulés proposées par ISI . . . 135
4.29 Trois "profondeurs" testées pour la liaison pivot de l’archi-tecture 4.28a . . . 137
4.30 Gains obtenus pour les différentes positions testées de la liaison pivot . . . 138
4.31 Intégration du modèle d’ébranchage dans ADAMSTM . . . . 140
4.32 Profondeur de pénétration et vitesse de défilement . . . 141
4.33 Surfaces et longueur équivalentes en fonction de la profon-deur de pénétration . . . 141
4.34 Différentes composantes de l’effort de coupe généré. . . 142
4.35 Effort de coupe pour chaque branche . . . 143
4.36 Couple moteur au niveau de chaque rouleau (avec efforts de coupe). . . 144
4.37 Puissance fournie à chaque rouleau et puissance totale (avec efforts de coupe) . . . 144
4.38 Défilement et vitesse du tronc (avec efforts de coupe) . . . . 144
4.39 Efforts tangentiels de contact entre le tronc, les châssis et les couteaux (avec efforts de coupe) . . . 145
4.40 Détermination du phénomène de plantage (avec efforts de coupe) . . . 145
A.1 Niveau A0 du diagramme bloc . . . 152
A.2 Fonction A1 - Modéliser le serrage . . . 153
A.3 Fonction A10 - Serrage des couteaux . . . 153
A.4 Fonction A11 - Modéliser le contact couteaux/tronc . . . 154
A.5 Fonction A12 - Serrage latéral des rouleaux (δr = 0◦) . . . 154
A.6 Fonction A12 - Serrage concentrique des rouleaux (δr = 90◦)155 A.7 Fonction A2 - Modéliser l’entraînement . . . 155
A.8 Fonction A20 - Modéliser le maintien du tronc . . . 156
A.9 Fonction A3 - Modéliser l’ébranchage . . . 156
B.2 Mesures sur branche . . . 161
C.1 Schéma hydraulique de la tête Kesla 25RH . . . 162
D.1 Schéma principal illustrant le modèle (Weber et Penn 1995) 164 D.2 Différents ports proposés par le modèle . . . 164
D.3 Définition paramétrée du port (Weber et Penn 1995) . . . 165
D.4 Paramètres relatifs au tronc . . . 166
D.5 Intérêt des angles de redressement . . . 166
D.6 Dépouille le long du profil. . . 167
Liste des tableaux
2.1 Comparaison des différentes variantes du modèle . . . 552.2 Récapitulatif des résultats de recalage expérimental . . . 58
2.3 Observations relatives aux différentes campagnes d’essais . 60 2.4 Efforts maximaux et énergies calculés et prédits par le modèle 61 3.1 Paramètres testés dans la direction de serrage et niveaux associés . . . 90
3.2 Valeurs moyennes σ⊥essai obtenues lors des différents essais et ratio correspondants . . . 92
3.3 Profondeur de pénétration équivalente ppéq., contraintes et erreurs relatives correspondantes . . . 94
3.4 Valeurs σket efforts de serrage et d’entraînement correspon-dants . . . 96
4.1 Régressions obtenues pour différents paramètres . . . 111
4.2 Valeurs des paramètres* correspondant à l’arbre présenté figure 4.6 . . . 112
4.3 Valeurs des paramètres* correspondant à l’arbre présenté figure 4.7 . . . 115
4.4 Masses des différents composants du modèle. . . 126
4.5 Paramétrage du châssis fixe de référence . . . 129
4.6 Comparaison des différentes architectures . . . 137
E
nFrance, un développement de l’utilisation du bois, principalement à travers les filières bois-énergie et bois-construction, est attendu dans les années à venir. Cet essor devra s’accompagner d’une augmentation de la récolte française estimée à 21 millions de mètres cubes par an d’ici 2020. Cette augmentation ne pourra avoir lieu sans développer la mécanisa-tion de l’exploitamécanisa-tion forestière. On parle en particulier de bûcheronnage mécanisé lorsque les opérations d’abattage, d’ébranchage et de billonnage des arbres sont réalisées par un engin forestier plutôt que par un bûcheron manuel équipé d’une tronçonneuse.Les feuillus représentent près de 70 % de la ressource française to-tale en bois. Malgré cela, le bûcheronnage mécanisé dans les peuplements feuillus peine à dépasser 4 % de la récolte totale, le reste étant encore réalisé à la main. À titre de comparaison, près de 60 % de la récolte de résineux est mécanisée (Cacot 2007).
Cet écart s’explique par l’utilisation d’un matériel développé initia-lement pour les résineux, qui conduit à une productivité très faible en feuillus, à un grand nombre de pannes et à une détérioration importante du matériel. En effet, de nombreuses différences morphologiques, notam-ment un bois plus dur, des branches plus grosses mais égalenotam-ment des troncs moins rectilignes rendent les feuillus beaucoup plus compliqués à exploiter que les résineux.
Le projet FUI ECOMEF (Éco-Concevoir un Outil de MÉcanisation pour le bûcheronnage dans les peuplements Feuillus) cherche à développer un outil spécifiquement adapté au travail des feuillus, afin d’accroître la pro-ductivité, mais aussi d’augmenter la sécurité et l’ergonomie de l’opérateur et de limiter l’impact de l’opération sur l’environnement.
La conception d’une machine de ce type ne peut se dérouler sans une utilisation importante de la modélisation et de la simulation. Ces outils offrent en effet une certaine représentation des opérations, et permettent ainsi de réduire les coûts et les délais associés au grand nombre de tests nécessaires au développement d’un tel système.
Dans le cadre du projet ECOMEF, l’objectif principal de ces travaux de thèse concerne la modélisation des procédés de bûcheronnage actuels et en cours de développement en vue d’évaluer et d’optimiser les perfor-mances (gain de productivité, mais également efficacité énergétique) des nouvelles solutions envisagées au regard des systèmes existants (Fauroux et al. 2013).
L’objectif de ces travaux est donc le développement de modèles per-mettant, dès les premières phases de conception, le dimensionnement des actionneurs et des éléments de structure mais aussi la validation et l’op-timisation des différentes étapes constitutives de l’opération de
nage. Ces modèles, identifiés expérimentalement, devront permettre une bonne prédiction des interactions entre les différents organes de la ma-chine et les arbres.
Enfin, une représentation multicorps intégrant ces modèles devra per-mettre la simulation de l’opération dans sa globalité ainsi que la compa-raison des solutions actuelles et des concepts mis au point au cours du projet.
Afin de détailler la démarche générale de modélisation d’un procédé de bûcheronnage, une décomposition fonctionnelle a permis d’établir un diagramme bloc détaillé à plusieurs niveaux successifs, en vue de déter-miner des "briques élémentaires" de modélisation. Au vu de cette décom-position, trois modèles élémentaires nécessaires à développer ont été iden-tifiés : un modèle de contact entre le tronc et les différentes parties de la tête d’abattage, un modèle d’entraînement du tronc, ainsi qu’un modèle de coupe adapté à l’ébranchage par choc.
Afin d’y parvenir, deux démarches sont menées simultanément : le développement d’approches analytiques et la mise en place de campagnes d’essais expérimentaux en vue du recalage et/ou de la caractérisation des paramètres des modèles.
Dans le chapitre 1, nous détaillerons le contexte de ces travaux de thèse. Un bref historique du bûcheronnage mécanisé mais aussi l’archi-tecture des têtes de bûcheronnage existantes, les spécificités du bûcheron-nage en peuplements feuillus et le projet ECOMEF seront ainsi présentés. Ce premier chapitre sera également l’occasion de nous intéresser aux besoins en modélisation du projet. Pour cela, la décomposition fonction-nelle évoquée précédemment et une étude expérimentale préliminaire se-ront introduites. Cette étude est menée afin d’évaluer la faisabilité de l’instrumentation d’une abatteuse forestière. Enfin, les principaux verrous scientifiques à lever dans le cadre de ces travaux de thèse seront établis.
Le développement d’un modèle de coupe adapté à l’opération d’ébran-chage ainsi que la présentation des essais expérimentaux relatifs à ce mo-dèle feront l’objet du chapitre2. Nous présenterons les deux démonstra-teurs conçus par l’équipe d’ingénierie pour ces essais et leur utilisation dans le cadre de ce travail de thèse.
Une première campagne d’essais nous permettra d’approcher le phé-nomène de coupe par choc, en observant les déformations dans la zone de coupe par l’utilisation d’une méthode d’analyse par corrélation d’images (calcul des déplacements et étude des champs de déformations).
À partir de ces résultats, nous développerons un modèle analytique original permettant la prédiction des efforts d’ébranchage. Celui-ci se base sur trois composantes liées à la longueur d’arête de coupe en prise et aux surfaces projetées de l’intersection entre le couteau et la branche, dans les directions principales. Deux approches (analytique et numérique) de cal-cul des surfaces projetées seront proposées. Les influences du taux d’hu-midité du bois et de la vitesse de coupe sur le modèle seront également analysées.
Nous présenterons alors deux autres campagnes d’essais réalisées en vue de caractériser les paramètres du modèle analytique d’ébranchage. Une approche probabiliste permettra d’intégrer la grande variabilité,
rela-tive au matériau bois, constatée lors de la caractérisation des paramètres.
Le chapitre 3s’intéressera à l’entraînement du tronc par les rouleaux d’une tête de bûcheronnage. Comme pour le modèle d’ébranchage, le mo-dèle de prédiction de l’effort transmissible se base sur les surfaces proje-tées de l’intersection entre les rouleaux et le tronc, dans les deux directions principales (direction de serrage des rouleaux et d’avance du tronc).
L’approche analytique de calcul de ces surfaces projetées en fonction des paramètres géométriques et mécaniques du système sera détaillée. Les bancs d’essais nécessaires aux tests permettant la caractérisation ex-périmentale des paramètres du modèle seront alors présentés. Dans ce cadre, deux manipulations permettront la détermination des contraintes maximales admissibles par le bois dans chacune des directions de travail. De nouvelles approches permettant la prise en compte de la déforma-tion du tronc ou encore de l’écorce seront également détaillées. La dé-termination d’un coefficient d’adhérence équivalent sera enfin proposée, ainsi que son évolution en fonction des différents paramètres du rouleau, afin d’optimiser la géométrie des picots d’entraînement et leur position-nement sur le rouleau.
Enfin, nous présenterons dans le chapitre 4 le développement d’un modèle multicorps paramétré permettant la simulation du défilement d’un tronc flexueux en interaction avec une tête de bûcheronnage, pro-pulsé par les rouleaux d’entraînement.
Dans un premier temps, les modifications apportées à un modèle exis-tant de génération d’arbres 3D réalistes seront exposées afin de permettre la génération de troncs flexueux munis d’un premier niveau de branches, utilisables dans différents logiciels de conception et de simulation.
La création et le paramétrage du modèle multicorps de tête de bûche-ronnage seront alors développés. Nous nous intéresserons en particulier à certains aspects concernant le recalage du modèle comme la répartition des masses. L’utilisation du modèle sera également détaillée à travers le déroulement de la simulation ou encore la mesure de certaines grandeurs permettant la quantification des performances du défilement du tronc. Les résultats d’une première simulation réalisée pour une architecture de référence à châssis monobloc seront alors présentés.
Nous introduirons également les différentes architectures cinéma-tiques innovantes envisagées dans le cadre du projet ECOMEF. L’étude de conception d’un châssis articulé et la comparaison des résultats ob-tenus avec ceux de l’architecture de référence illustreront l’intérêt de ce modèle.
L’intégration des modèles d’ébranchage et d’entraînement développés précédemment dans ce modèle multicorps fera l’objet d’une autre partie du chapitre. Nous nous intéresserons alors à la simulation de l’opération d’ébranchage qui, en plus du défilement du tronc, intègre les efforts rela-tifs à la coupe des branches.
1
des essences feuillues et le
projet
ECOMEF
Sommaire
1.1 Le bûcheronnage mécanisé . . . 6
1.1.1 Historique de la mécanisation forestière. . . 7
1.1.2 Architecture d’une tête de bûcheronnage . . . 9
1.1.3 La mécanisation en peuplements feuillus . . . 11
1.2 Le projet ECOMEF . . . 16 1.2.1 Présentation générale. . . 16 1.2.2 Partenaires et financeurs . . . 16 1.2.3 Démarche et objectifs. . . 17 1.3 Besoins en modélisation . . . 18 1.3.1 Intérêt de la modélisation . . . 18
1.3.2 Décomposition fonctionnelle du besoin en modélisation . 19 1.4 Étude expérimentale préliminaire . . . 20
1.4.1 Études existantes . . . 20
1.4.2 Objectifs . . . 21
1.4.3 Instrumentation et protocole d’essais . . . 21
1.4.4 Résultats obtenus . . . 23 1.4.5 Conclusion . . . 24 1.5 Verrous scientifiques . . . 25 1.5.1 L’ébranchage . . . 25 1.5.2 L’entraînement . . . 26 1.5.3 Le passage de flexuosités . . . 26 Conclusion . . . 27
C
e chapitre présente le contexte des travaux de thèse, et plus particu-lièrement le projet ECOMEF. Afin de mieux cerner les objectifs et les attentes du projet, une présentation générale du bûcheronnage mécanisé et de ses spécificités pour les essences feuillues est proposée en introduc-tion. L’intérêt du travail de thèse au sein du projet ECOMEF, ainsi que les principaux objectifs de l’étude sont également énoncés.1.1 Le bûcheronnage mécanisé
Le bûcheronnage représente, avec la vidange des bois (transport des bois vers une aire de dépôt en bord de route accessible aux camions de transport), l’une des deux opérations d’exploitation forestière. Il est dit mécanisé s’il n’est pas réalisé par des bûcherons manuels équipés de tron-çonneuses mais par un engin forestier dont le type dépendra du système d’organisation du chantier. En effet, il existe plusieurs méthodes de tra-vail, souvent corrélées à différents types de matériels (de Menthière et al. 1993) :
– Le système bois court est traditionnellement composé de deux opé-rations : l’abattage et le façonnage des arbres. Le façonnage se dé-compose en une phase d’ébranchage des troncs et une phase de tronçonnage en billons, ou billonnage (´Cupri´c et Baji´c 2009). Le fa-çonnage de l’arbre est réalisé sur place (au sein du peuplement) à l’aide d’une abatteuse forestière. Un porteur est ensuite utilisé afin de ramasser les billons et de les acheminer jusqu’à l’aire de dépôt en vue de leur transport. Ces étapes, ainsi que les silhouettes des machines correspondantes sont présentées sur la figure1.1.
– Le système bois long qui consiste à abattre et à ébrancher l’arbre sur place, sans le billonner. Le billonnage sera effectué bord de route avant le transport, ou alors directement en scierie. On parle alors de grumes plutôt que de billons.
– Le système arbre entier dans lequel les arbres sont uniquement abattus. Dans ces deux systèmes, les arbres sont débardés vers l’aire de dépôt à l’aide d’un débusqueur. Ils sont alors ébranchés, et éven-tuellement billonnés bord de route par une ou plusieurs machines spécifiques à chaque fonction (ébrancheuse et billonneuse).
– Le déchiquetage en plaquettes forestières, une fois les arbres ex-traits du peuplement.
Figure 1.1 – Opérations mécanisées du système bois court
Le système arbre entier reste le plus répandu en Amérique du Nord, en raison de la grande taille des parcelles. En Europe, le morcellement de celles-ci ainsi que le nombre, la spécificité et l’encombrement des ma-chines utilisées dans ce système le rendent difficilement rentable et donc peu utilisé (Cacot et al. 2006b). En France, la quasi-totalité de l’exploita-tion mécanisée utilise ainsi le système bois court (Bonnemazou et Ruch 2013). Ce système permet en outre une meilleure prévision des volumes et produits disponibles, en télétransmettant aux gestionnaires forestiers
les données de volume et de longueur des billons façonnés, directement mesurées par les abatteuses (Cacot 2010a).
Les différentes opérations d’exploitation forestière peuvent également être distinguées selon la nature des coupes. Il peut s’agir de première, seconde ou troisième éclaircie, ou encore de coupe rase, lorsque l’ensemble du peuplement est récolté. Les éclaircies consistent à supprimer certains arbres afin de favoriser le développement du houppier ou la croissance radiale selon les espèces (Cuchet et Morel 2001).
1.1.1 Historique de la mécanisation forestière
La mécanisation de l’exploitation forestière a commencé en France à la fin des années 1970 (Laurier 2004). À cette époque, différents instituts de recherche et centres techniques cherchent à analyser les opérations fores-tières en vue de leur appliquer des techniques d’organisation scientifique du travail. Le chronométrage d’opérations de première éclaircie réalisées par des bûcherons manuels a permis de constater que près des trois quarts du temps de travail est consacré à l’ébranchage, au tronçonnage et à l’em-pilage des billons. La pénibilité et la lenteur de ces tâches vont être à la base de la volonté de mécaniser l’exploitation forestière (Laurier 2004).
Les premières machines opèrent sur des arbres préalablement abattus par des bûcherons (on parle alors d’opérations semi-mécanisées), et ne peuvent produire que du bois de trituration destiné à la fabrication de pâte à papier.
Dans les années 1980, les machines double prise apparaissent en Scan-dinavie. Elles sont composées d’un porte-outil équipé d’une grue, d’un outil situé en bout de grue et permettant l’abattage des arbres, et d’un se-cond système placé sur le porte-outil qui assure la fonction d’ébranchage. La silhouette générale de ces machines est présentée figure 1.2 (issue de
Kellogg et al., 1993). En raison de leur encombrement et de la volonté de rendre les opérations d’éclaircie mécanisée rentables, elles seront petit à petit abandonnées.
Figure 1.2 – Silhouette d’une abatteuse double prise (Kellogg et al. 1993)
En France, les premiers engins sont beaucoup plus petits afin de pou-voir se faufiler au cœur des peuplements. Ils sont généralement équipés de bras très courts et vont disparaitre, dès la fin des années 1980, au profit de machines déjà très proches des abatteuses simple prise que l’on connait actuellement : il s’agit d’engins plus gros composés d’une pelle excavatrice sur chenilles comme celles utilisées en travaux publics, ou d’un porte ou-til forestier comportant généralement six roues motrices et équipé d’une grue de moyenne ou longue portée (6 à 10 m), travaillant dans des couloirs de cloisonnement réalisés au sein des peuplements. Au bout de cette grue,
une tête de bûcheronnage permet l’abattage et le façonnage du tronc en billons (pour le système bois court). La structure globale d’une machine de bûcheronnage simple prise est présentée sur la figure1.3.
TRANSMISSION DE PUISSANCE COMMANDE PORTE-OUTIL GRUE TÊTE FORÊT
Figure 1.3 – Architecture générale d’une abatteuse forestière
La puissance embarquée et la masse des engins n’ont cessé d’augmen-ter, de 35 kW pour les premières machines à 70/100 kW à la fin des an-nées 1990 puis 130/140 kW au début des anan-nées 2000 et même jusqu’à 150/160 kW en 2003 (Laurier et al. 2003), portant le poids des engins à près de vingt tonnes. Ceci a permis d’augmenter les capacités maximales de façonnage de 25/35 cm de diamètre au milieu des années 1980 à plus de 60 cm pour certaines têtes actuelles. Cependant, bien qu’il soit trop tôt pour parler de l’inversion de cette tendance, la prise en compte croissante des questions environnementales et de la préservation du milieu fores-tier pousse les acteurs de la mécanisation forestière à s’interroger sur les puissances embarquées, et un ralentissement de la tendance actuelle est d’ores-et-déjà attendu (Rådström et al. 2008,Cacot 2010a).
L’augmentation du nombre de machines est en partie due à l’accroisse-ment de leur fiabilité en raison de l’utilisation de composants de meilleure qualité mais également plus petits, ce qui a permis l’installation des dis-tributeurs hydrauliques directement dans les têtes de bûcheronnage, limi-tant ainsi le nombre de flexibles entre le porte-outil et la tête, et donc le risque de pannes. En France, les tempêtes Lothar et Martin de 1999 ont également occasionné une très brusque hausse des ventes, qui ont doublé en 2000 par rapport à l’année 1999 (Bonnemazou et Ruch 2013) et per-mis d’asseoir la mécanisation dans le paysage français de l’exploitation forestière. En 2012, le parc français comportait environ 1000 machines de bûcheronnage (Danguy Des Deserts et al. 2011).
La mécanisation apparaît également comme un véritable enjeu afin de faire face à une main d’œuvre de plus en plus rare. En effet, les effectifs de bûcherons ne cessent de diminuer, en raison de la dangerosité, du ca-ractère très éprouvant physiquement mais également du manque de pers-pectives d’évolutions de ce métier (Bigot et Cuchet 2006). Les évolutions techniques et la mécanisation ont pourtant conduit à une productivité par salarié toujours plus importante et donc à un besoin en main d’œuvre moindre, mais cela ne suffit pas à compenser le manque de bûcherons. L’évolution du nombre de salariés entre 1978 et 2003 est présentée sur la figure1.4.
En parallèle de cette courbe, Laurier(2006) prévoyait une diminution des effectifs de l’exploitation forestière de près de 500 salariés par an jus-qu’en 2010, soit près de 3000 bûcherons en moins entre 2004 et 2010. Afin de compenser ce manque croissant de main d’œuvre, il est donc nécessaire
0 5 000 10 000 15 000 20 000 25 000 1 9 78 19 8 0 19 8 2 1 9 84 19 8 6 1 9 88 19 9 0 19 9 2 1 9 94 19 9 6 1 9 98 20 0 0 2 0 02 2 00 4 Années Eff ectifs Récolte (millions de m 3) Récolte (millions de m3
) Salariés physiques techniques Equivalents TP techniques 50 40 30 20 10 0
Figure 1.4 – Évolution de la récolte et des effectifs (Laurier 2006)
de mécaniser d’avantage l’exploitation forestière, faute de quoi l’accrois-sement de la production mécanisée ne sera pas suffisant pour maintenir une récolte constante.
1.1.2 Architecture d’une tête de bûcheronnage
L’architecture des têtes de bûcheronnage utilisées dans le système bois court n’a que peu évolué depuis l’apparition des machines simple prise. La figure 1.5 présente une tête de bûcheronnage Kesla 25RH (Kesla Oyj 2013) caractéristique de ce système.
Comme on peut le constater, ce type de tête est généralement com-posé :
– d’une chape de basculement7permettant l’inclinaison de la tête en tangage et en lacet (par l’intermédiaire du rotateur) ;
– d’un jeu de couteaux supérieurs composé d’un couteau fixe1’et de deux couteaux mobiles2+2’;
– d’un dispositif d’entraînement (rouleaux d’entraînement 3 + 3’ et bras supports de rouleaux4+4’) ;
– de différents systèmes de mesure (diamètre du tronc, longueur des billons) ;
– d’un ou deux couteaux inférieurs mobiles5+5’; – d’un dispositif d’abattage/billonnage6.
Les couteaux permettent l’ébranchage par choc du tronc et assurent également une fonction de saisie des billons au sol. Leur géométrie est déterminée afin d’assurer un enveloppement optimal du tronc sur l’en-semble de la gamme de diamètre considérée (Granlund et Hallonborg 2001,Ghobadian et al. 2004,Mikleš 2012). Si différents dispositifs de coupe furent envisagés lors du développement des premières machines de bû-cheronnage comme les scies circulaires ou encore les fraises ( Christopher-son 1984, Stig et al. 1967), les couteaux d’ébranchage furent rapidement généralisés en raison de la simplicité et de la robustesse de cette solution, liées au nombre relativement faible de pièces en mouvement.
Aujourd’hui, deux dispositifs d’entraînement sont principalement uti-lisés, à savoir les rouleaux d’entraînement et les têtes à télescope (´Cupri´c
et Baji´c 2009). L’utilisation des rouleaux d’entraînement permet une vi-tesse de défilement plus importante, elle est donc actuellement privilégiée en France et en Europe. Deux rouleaux à picots, animés par des moteurs hydrauliques, sont en général montés sur des bras mobiles et permettent d’assurer un serrage du tronc contre le châssis de la tête d’abattage. Celui-ci peut être latéral lorsque les axes des rouleaux restent parallèles entre eux, ou concentrique, lorsque les axes sont sécants (figure1.6).
Figure 1.6 – Cinématiques de serrage classiques : serrage concentrique (a) et latéral (b) Des systèmes hybrides ont également été développés afin de profiter des avantages des deux types de serrage selon l’évolution du diamètre du
tronc durant le façonnage (Goubet et al. 2013). Sur les têtes de capacité importante, un ou deux rouleaux libres ou motorisés sont également ajou-tés au châssis, afin d’assurer un meilleur maintien de l’arbre, d’augmenter l’effort transmissible et de limiter les frottements du tronc dans la tête.
Il existe sur le marché une grande variété de rouleaux d’entraînement qui diffèrent par leurs dimensions et par la géométrie et le placement des picots. Depuis la fin des années 1990, des rouleaux équipés de plaques à orientation adaptable ou de moyeux en caoutchouc ont également été développés dans le but de limiter la dégradation des bois et les contraintes auxquelles sont soumis les moteurs hydrauliques.
Certains constructeurs utilisent des chenillettes à picots en lieu et place des rouleaux (tête Keto présentée sur la figure1.7, issue deKone-Ketonen Oy, 2011), afin d’accroitre la surface de contact avec le tronc. Les vitesses de défilement ont également augmenté, passant de 1.5 m/s pour les pre-mières machines à près de 5 m/s pour les machines actuelles.
Figure 1.7 – Tête Keto 51 Supreme Ecotilt à chenillettes (Kone-Ketonen Oy 2011) Le dispositif d’abattage/billonnage utilise en règle générale une scie à chaîne de type "harvester" permettant d’atteindre des vitesses de coupe de l’ordre de 40-50 m/s. L’apparition de ces systèmes au milieu des années 1980 (Gomel et Bérard 1985) a en effet permis de supprimer les problèmes de coincement de l’ensemble chaîne et guide, offrant ainsi de nombreux avantages par rapport aux autres dispositifs tels que les sécateurs et ci-sailles, équipements à la fois lourds et lents, ou encore les scies circulaires, qui s’avèrent également très lourdes, encombrantes et qui nécessitent une très grande énergie (Laurier et al. 2003).
1.1.3 La mécanisation en peuplements feuillus
En Europe, la mécanisation de l’exploitation forestière est toujours en expansion. En Suède et en Norvège, la quasi-totalité de la récolte est méca-nisée (Gellerstedt et Dahlin 1999). Ceci est du aux peuplements constitués en très grande majorité de résineux, ou d’essences feuillues faciles à fa-çonner comme le peuplier ou le bouleau. En Allemagne et en France, où le pourcentage de feuillus de la ressource totale en bois est respective-ment de 46 % et de 69 % (Cacot et al. 2006a), le taux de mécanisation, correspondant au ratio entre la quantité exploitée mécaniquement et la
quantité totale exploitée, est encore faible. En France, celui-ci n’est que de 4 % (Cacot 2010b) pour le feuillu.
Si certaines perspectives relativement optimistes considéraient une production moyenne par machine de l’ordre de 20000 m3/an pour les
années 2010 (Laurier 2005), force est de constater que ces quotas n’ont pas été atteints, a fortiori pour l’exploitation des peuplements feuillus, où la production par machine stagne depuis quelques années aux alentours de 11500 m3/an (Cacot 2009a). La figure 1.8, issue de Cacot (2007), illustre
l’évolution du parc d’abatteuses travaillant en résineux et en feuillu, ainsi que les taux de mécanisation correspondant. On peut constater que le taux de mécanisation actuel en feuillu équivaut à celui observé en résineux au début des années 1990.
0 100 200 300 400 500 600 700 Années 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 0 10 20 30 40 60 70 Ta ux de m é can isa ti on ( %) No m br e d 'a ba tteu ses
Nombre total d'abatteuses
Taux de mécanisation en résineux
Nombre d'abatteuses en feuillu (éq. temps plein)
Taux de mécanisation en feuillu
50
Figure 1.8 – Parc machines et taux de mécanisation résineux et feuillu (Cacot 2007) Le retard de mécanisation des peuplements feuillus s’explique ma-joritairement par des différences morphologiques. En effet, en raison de troncs flexueux, de branches plus grosses implantées sur le tronc avec des angles plus fermés que sur les résineux, comme sur le chêne pré-senté sur la figure 1.9, et d’une résistance mécanique plus grande que celle des résineux (Cacot 2010b), les feuillus sont plus délicats à entraî-ner et à ébrancher, et ceci nécessite des outils spécifiques pour améliorer l’efficacité énergétique et la productivité de leur exploitation.
Figure 1.9 – Jeune chêne flexueux
Selon l’essence feuillue considérée, la morphologie des peuplements peut également s’avérer très différente. Le diamètre des branches, leur angle d’insertion ou encore les flexuosités du tronc seront ainsi différents
qu’il s’agisse de chêne, de hêtre, de charme ou de châtaignier. Un maté-riel capable de s’adapter à différentes situations est donc indispensable. La cépée, illustrée figure 1.10, qui apparait lorsqu’un ensemble de tiges repoussent sur la souche d’un arbre abattu, est une autre spécificité de certaines essences feuillues qui pose d’importants problèmes de façon-nage. En effet, l’accès à une tige spécifiée ainsi que le risque d’endomma-ger les autres tiges, lorsque l’opérateur ne souhaite prélever qu’un arbre par exemple, représentent des contraintes fortes et requièrent une grande dextérité de la part du conducteur.
Figure 1.10 – Cépée de châtaigniers
Le constat est souvent fait du manque de matériel spécifiquement adapté aux feuillus (Cacot 2009b). En effet, les constructeurs développent majoritairement du matériel destiné aux marchés d’Amérique du Nord et de Scandinavie, dominés par les résineux. L’utilisateur désireux de tra-vailler en feuillu n’a donc aujourd’hui d’autre choix que de se tourner vers des matériels existants renforcés et d’y apporter certaines modifica-tions, comme l’augmentation des débits ou des pressions d’alimentation par exemple. Les efforts et les chocs importants subis par les têtes lors de l’ébranchage des feuillus entraînent des sollicitations très importantes sur le matériel, à l’origine d’un grand nombre de casses et de pannes, ce qui réduit considérablement la productivité de ces machines. À l’heure actuelle, un repérage de la parcelle s’avère donc indispensable avant la va-lidation d’un chantier. En effet, la branchaison ainsi que la flexuosité des troncs observés dans un peuplement sont aujourd’hui encore des critères rédhibitoires de rentabilité et même de faisabilité (Cuchet et Morel 2001).
En analysant les difficultés rencontrées par les opérateurs lors du fa-çonnage des feuillus, il est possible de dégager un certain nombre de cas problématiques ayant pour effet de réduire considérablement la produc-tivité des machines utilisées. Parmi ceux-ci, le cas des cépées a déjà été évoqué. Le passage des flexuosités représente un autre problème majeur pour les têtes actuelles, dont l’architecture générale n’a pas été pensée pour s’adapter au mieux à la sinuosité des troncs, engendrant souvent le plantage du couteau fixe dans le tronc, comme illustré figure 1.11. À l’in-verse, il n’est pas rare non plus que les couteaux glissent sur une branche se recourbant contre le tronc, au lieu de la couper. L’adaptation de l’angle d’attaque des couteaux à la situation (branche à couper ou flexuosité à suivre) reste donc une problématique majeure.
Figure 1.11 – Plantage du couteau fixe
De plus, de fortes flexuosités peuvent entraîner des configurations de blocage, aboutissant généralement au patinage des rouleaux, qui viennent alors grignoter le tronc et détériorer le billon en cours de façonnage (figure 1.12).
Figure 1.12 – État du tronc après patinage des rouleaux
Ce patinage des rouleaux peut également être occasionné par des branches de diamètre supérieur à la capacité d’ébranchage de la machine. En effet, la réussite de l’opération d’ébranchage par choc est en partie conditionnée par la vitesse du tronc avant l’impact, transmise par les rou-leaux d’entraînement. Dans le cas de bois flexueux, la vitesse de défile-ment du tronc est réduite, et le tronc ne peut, en raison de son inertie importante, accumuler que peu d’énergie cinétique.
En cas de branche de gros diamètre, rien ne peut donc compenser la décélération lors de la coupe, ce qui entraîne le plantage du couteau et une coupe seulement partielle de la branche (figure1.13), ainsi que le patinage des rouleaux.
Figure 1.13 – Plantage d’un couteau dans une grosse branche
L’opérateur n’a alors d’autre choix que de faire défiler l’arbre en sens inverse dans la tête, afin de reprendre suffisamment de vitesse pour cou-per la branche. Cette opération de va-et-vient peut être répétée plusieurs fois si cela est nécessaire, conduisant généralement à un état médiocre du billon (nombreuses zones de patinage lors des phases successives d’accé-lération des rouleaux).
Récemment, Cacot (2009a) a développé un cahier des charges relatif à la conception d’une tête de bûcheronnage adaptée au façonnage des feuillus et a également souligné l’importance du financement de projets de recherche et développement associant des professionnels et des institu-tions académiques afin de proposer des soluinstitu-tions pour la problématique des feuillus.
Le projet européen ForstINNO a vu le jour sur ces recommandations, et a permis le développement de la tête de bûcheronnage CTL 40 HW, présentée figure1.14(figure issue deCTL Technology GmbH,2008).
Certains choix comme l’absence de couteau inférieur ou la géométrie du mécanisme de serrage des rouleaux ont permis d’augmenter consi-dérablement la compacité de cette tête. Cependant, son architecture est similaire à celle des têtes utilisées pour les résineux.
Sur la CTL 40 HW, une mobilité ajoutée au couteau fixe permet d’amé-liorer le passage de flexuosités, mais cela a également pour effet simultané de désactiver momentanément la fonction d’ébranchage de ce couteau.
La possibilité de mieux prendre en compte les spécificités morpholo-giques des feuillus dans la conception d’une tête de bûcheronnage ainsi que les gains de productivité modestes annoncés pour la CTL 40 HW par rapport aux solutions existantes lors d’études réalisées sur cette nouvelle tête (Suchomel et al. 2012, Mederski et al. 2011) laissent également à pen-ser qu’une marge de progression est encore possible dans le domaine de l’exploitation mécanisée des feuillus. C’est là l’objectif du projet ECOMEF.
1.2 Le projet ECOMEF
1.2.1 Présentation générale
Le projet FUI ECOMEF (Éco-Concevoir un Outil de MÉcanisation pour le bûcheronnage dans les peuplements Feuillus) vise à développer l’ex-ploitation des essences feuillues à travers la conception d’une tête d’abat-tage/façonnage innovante spécifiquement adaptée au bûcheronnage des feuillus selon le système bois court. Cette machine devra également amé-liorer la sécurité et l’ergonomie de travail pour les opérateurs.
S’insérant dans la perspective commune de machines plus productives mais également plus respectueuses de l’environnement, l’objectif princi-pal du projet est de développer une tête compatible avec les portes-outils actuels et capable d’augmenter de 40 % la productivité actuelle, permet-tant de passer de 11500 à 16000 m3 par an et par machine de production
moyenne.
Cette machine devra non seulement assurer un façonnage plus rapide des bois, actuellement exploités mécaniquement afin d’accroître la produc-tivité horaire, mais également permettre la mécanisation d’un plus grand nombre de peuplements, considérés jusqu’alors comme impropres à la mécanisation en raison, par exemple, de branches de très gros diamètre ou de troncs particulièrement flexueux.
1.2.2 Partenaires et financeurs
La société ISI, spécialisée en conception de machines spéciales, inter-vient en tant que porteur du projet. Celui-ci a été construit autour d’un consortium d’acteurs tant professionnels qu’institutionnels, composé de :
– ISI (Intégrateur de Solutions Industrielles), PME basée à Cournon d’Auvergne, porteur de projet ;
– l’institut technique FCBA (Fôret Cellulose Bois-construction Ameu-blement) ;
– l’IRSTEA (Institut national de Recherche en Sciences et Technolo-gies pour l’Environnement et l’Agriculture) ;
– l’IFMA (Institut Français de Mécanique Avancée) et l’Institut Pascal (Axe Mécanique, Matériaux et Structures) ;
– France Bois Régions, à travers les interprofessions régionales Inter-bois Périgord et Auvergne PromoInter-bois ;
– le Comptoir des Bois de Brive, filière approvisionnement de Inter-national Paper ;
– le Lycée agricole et forestier Claude Mercier.
Le budget total est de 3.8 millions d’euros, attribué par les financeurs suivants :
– Bpifrance, la banque publique d’investissement ;
– le Fonds européen de développement régional FEDER pour les ré-gions Auvergne et Limousin ;
– la région Auvergne ; – le département de l’Allier ;
– le département du Puy-de-Dôme ;
– la communauté d’agglomération Clermont Communauté ; – la région Aquitaine ;
– la région Limousin ; – l’agglomération de Brive.
Ce projet s’inscrit dans la thématique scientifique "Systèmes Intelli-gents et robotique" du pôle de compétitivité ViaMéca. Le projet est éga-lement labellisé par le pôle Xylofutur (Produits et Matériaux des Forêts Cultivées).
1.2.3 Démarche et objectifs
En se basant sur le cahier des charges d’une tête développée pour les feuillus proposé parCacot(2009a), le besoin propre au projet ECOMEF a été exprimé, à travers la formulation détaillée de l’état initial et du résultat final souhaité. À la suite de cette étape, les différences principales consta-tées entre l’état final observé et le résultat souhaité ont permis d’identifier neufs problèmes principaux à résoudre :
1. l’ébranchage des grosses branches ;
2. les fourches, pour lesquelles il serait souhaitable d’éviter de re-prendre la branche après l’avoir séparée du tronc en vue d’y façon-ner un ou plusieurs billons ;
3. les cépées et leurs problématiques d’accès et de dommages infligés aux tiges à préserver ;
4. le suivi des troncs flexueux ;
5. les tiges non marchandes et leur utilisation ;
6. le rangement des rémanents (houppier et branches non mar-chandes) ;
7. la détection des défauts du tronc ;
8. les souches, qui doivent être rases et parallèles au sol afin de préser-ver les pneumatiques des engins forestiers ;
9. le marquage des billons, à la suite du plantage intempestif des cou-teaux ou du patinage des rouleaux.
Ces neufs problèmes ont permis la génération de concepts innovants, base de la conception de la nouvelle tête de bûcheronnage. Afin d’éva-luer mais également d’optimiser les performances (productivité et perfor-mances énergétiques) des solutions actuelles et des concepts en cours de développement, un recours à la simulation est proposé. C’est dans ce cadre que s’inscrivent les travaux de thèse présentés dans ce mémoire, qui ont pour objet la modélisation des points clefs du procédé de bûcheronnage mécanisé utilisé dans le système bois court.
1.3 Besoins en modélisation
1.3.1 Intérêt de la modélisation
La modélisation est de plus en plus présente dans le processus de conception. Elle permet de limiter les coûts et les délais liés à la réalisation de prototypes réels. Ceci se vérifie particulièrement pour des engins de grande taille, qu’il s’agisse de machines agricoles ou forestières, ou de travaux publics.
Le recours à la modélisation est en effet très fréquent pour l’analyse du comportement (en particulier dynamique) des machines (Park et Lim 2004, LMS 2007), afin de limiter au maximum les temps de mobilisation de ces équipements très couteux. Pour ces raisons, l’utilisation de simula-teurs basés sur différents modèles de fonctionnement devient également un outil de recherche primordial dans le domaine de l’exploitation fores-tière (Löfgren 2005, Servin et al. 2008,Westerberg et al. 2008).
La modélisation peut intervenir à différentes étapes du processus de conception. Tout d’abord elle permet de choisir une architecture ou un composant en se basant sur des éléments tangibles et mesurables, puis d’optimiser la solution choisie en regard d’un ou plusieurs critères de performance, et enfin de valider le prototype final (Devalan 2009).Devalan
(2009) insiste également sur l’importance des actions de caractérisation, ayant pour objectif de fournir aux modèles des données réelles issues de l’expérimentation. La modélisation n’est donc pas à considérer sans une ou plusieurs étapes de développement de bancs et de campagnes d’essais, afin d’acquérir ces données.
Lebrun (2003) établit une correspondance entre le niveau d’abstrac-tion des modèles développés et le déroulement habituel du cycle en V de conception. Ainsi on constate que la modélisation du comportement mécanique d’un système se base généralement sur des éléments liés par des échanges de puissance. Ces modèles, qu’ils soient multidisciplinaires ou dans le domaine de la mécanique multicorps, correspondent au ni-veau d’abstraction appelé nini-veau réseau, et sont assez représentatifs de la solution technologique étudiée.
1.3.2 Décomposition fonctionnelle du besoin en modélisation
Afin d’analyser, d’un point de vue mécanique, le comportement global d’une tête de bûcheronnage ou de simuler les solutions en cours de déve-loppement, il est nécessaire d’identifier les processus à modéliser. Ainsi, une décomposition fonctionnelle a permis d’établir un diagramme bloc à
plusieurs niveaux successifs, le but étant de déterminer des "briques élé-mentaires" de modélisation.
Chaque brique sera adaptée à partir de modèles existants présentés dans la littérature, ou développée dans le cadre de ce travail de thèse. L’op-timisation pourra alors concerner chaque brique individuellement, tout autant que l’agencement des briques entre elles.
L’objectif de ce diagramme est ainsi de présenter, de manière exhaus-tive, les modèles à développer, à travers leur type (modélisation statique, cinématique, dynamique, etc.) mais également la liste des paramètres en-trants et des sorties attendues.
À partir du niveau supérieur A-0 ne contenant que l’objectif principal de ce travail, à savoir modéliser le procédé de bûcheronnage du système bois court : abattage et façonnage (ébranchage + billonnage), le niveau inférieur A0 du diagramme bloc, présenté figure 1.15, est naturellement composé des quatre fonctions correspondant à la modélisation des étapes du cycle de fonctionnement des têtes actuelles, à savoir modéliser le serrage, l’entraîne-ment du tronc, l’ébranchage par chocet enfin modéliser l’abattage et le billonnage. L’ensemble du diagramme bloc est détaillé dans l’annexeA.
Figure 1.15 – Niveau A0 du diagramme bloc du processus de modélisation
Nous pouvons constater que les opérations d’abattage et de billonnage ont été réunies en une seule fonction, ces deux étapes se résumant à l’uti-lisation de la scie à chaîne (Goubet et al. 2013).
Les niveaux inférieurs sont obtenus en utilisant la même méthodolo-gie et le même point de vue mécanique. Cela conduit à la définition de "briques élémentaires" indivisibles, comme la fonction A21 Déterminer les efforts transmis et transmissibles décrite au chapitre 3 et désignée ensuite comme le modèle d’entraînement.
Grâce à cette analyse descendante, un inventaire exhaustif des briques de modélisation a pu être obtenu. La présence d’interaction entre
diffé-rentes briques semble intéressante en raison du potentiel d’optimisation offert par ces bouclages.
Ainsi, les fonctions A1 Modéliser le serrage, A2 Modéliser l’ébranchage et A3 Modéliser l’entraînement ont été définies comme des composants fonda-mentaux à développer.
Afin d’obtenir des données chiffrées utiles au développement de ces modèles, une étude expérimentale préliminaire concernant la faisabilité de l’instrumentation d’une machine de bûcheronnage en conditions de service a été effectuée.
1.4 Étude expérimentale préliminaire
La mise en place d’une campagne d’essais sur une abatteuse fores-tière en conditions de service a pour objectif de quantifier les grandeurs physiques relatives au façonnage du tronc (efforts, vitesses, puissances, durées, etc.). Cette étude préliminaire s’intéresse à la faisabilité d’une telle campagne d’essais.
1.4.1 Études existantes
Différentes études ont déjà été menées sur des abatteuses en condi-tions de service. Bien loin des considéracondi-tions mécaniques qui nous préoc-cupent, la plupart d’entre elles portent sur l’efficacité opérationnelle des machines. Depuis les débuts de la mécanisation, la durée de chaque phase de travail (Tan 1987,Danilovi´c et al. 2011), ou encore la comparaison entre la productivité d’une abatteuse et celle d’un bûcheron manuel dans des peuplements difficilement mécanisables (Zinkeviˇcius et al. 2012) ont été analysées, en se basant sur le chronométrage des machines en fonctionne-ment, ainsi que sur diverses données liées, par exemple, au peuplement.
Plusieurs auteurs cherchent ainsi à optimiser le façonnage en étudiant l’influence du système d’organisation utilisé (Syunev et al. 2009), des com-pétences de l’opérateur (Ovaskainen 2009) ou encore de la taille des arbres façonnés (Nakagawa et al. 2007) sur la qualité du bois produit, l’environ-nement (tassement du sol, dommages aux arbres sur pied, etc.), mais sur-tout sur la productivité constatée.
Hallonborg et al.(2004) ont réalisé des essais afin de quantifier l’effort transmissible au tronc en fonction du type de rouleaux d’entraînement utilisé. Cependant, cette mesure était effectuée à l’aide d’un dispositif hy-draulique externe relié au tronc mais la machine en elle-même n’était pas instrumentée.
À notre connaissance, seul Prinz zu Hohenlohe (2011) propose une étude, ayant pour objectif de mesurer l’effet d’un accumulateur hydrau-lique placé dans le circuit de puissance et permettant de lisser la charge du moteur diesel et de réduire la consommation de carburant, dans laquelle la machine elle-même a été directement instrumentée. Dans ces travaux, les pressions hydrauliques à la sortie de la pompe et dans l’accumulateur, le débit vers la tête de bûcheronnage ainsi que le régime moteur ont été mesurés sur le porte-outil lors de l’entraînement d’un tronc.
1.4.2 Objectifs
Si les constructeurs de matériel forestier indiquent systématiquement un effort d’ébranchage maximal théorique dans les documentations des têtes de bûcheronnage, peu de données mécaniques obtenues expérimen-talement (pressions hydrauliques, efforts, vitesses, etc.) semblent dispo-nibles. L’objectif de cette première campagne d’essais est donc de valider la faisabilité de l’instrumentation d’une tête de bûcheronnage.
L’acquisition de données, si elle s’avère possible, devra permettre de quantifier les grandeurs physiques représentatives du façonnage, et d’ob-tenir des données concernant les puissances mécaniques (efforts, vitesses, durées, etc.) et hydrauliques (pressions et débits) en jeu. Ces données pourront être bénéfiques au dimensionnement général de la future tête de bûcheronnage, ou encore des bancs d’essais nécessaires au recalage expérimental des modèles qui seront développés.
1.4.3 Instrumentation et protocole d’essais
Grandeurs mesurées
Afin de remplir les objectifs précédemment définis, la mesure d’un certain nombre de paramètres s’avère nécessaire. En voici la liste :
– différentes caractéristiques de l’arbre (hauteur totale, diamètre à 1,30 m, décroissance du tronc, etc.) et des branches (diamètre et angles d’insertion, etc.) répertoriées dans le protocole de caractéri-sation des arbres établi par le FCBA, défini dans l’annexeB; – masse des arbres (pesage à l’aide d’un peson pendu sous la tête) ; – vitesse de défilement du tronc ;
– pression générale du circuit hydraulique ; – vitesse de rotation des rouleaux ;
– efforts de coupe.
Difficulté liée à l’acquisition de pression
La tête de bûcheronnage considérée est la Kesla 25RH. Son circuit hy-draulique est présenté dans l’annexeC. La figure1.16détaille le position-nement d’une prise de pression dans ce circuit, pour un des actionneurs.
On peut constater que la prise de pression existante est située, par rapport à l’alimentation, en aval du limiteur de pression mais en amont du distributeur. Cela s’explique simplement par le fait que la fonction initiale de ces points de raccordement est le réglage des limiteurs de pression.
La pression relevée en ce point n’est donc pas représentative de celle présente dans l’actionneur, et chaque choc subi par l’un des actionneurs entrainera systématiquement l’apparition d’un pic de pression sur l’en-semble des capteurs. Ainsi, il n’est malheureusement pas possible de dé-terminer simplement la pression dans chaque actionneur. C’est pourquoi seule une image de la pression "générale" sera mesurée.
Cette limitation semble d’ailleurs avoir fait l’objet de développements de la part de certains constructeurs, puisqueJohn Deere(2008) a intégré, dans sa dernière série de machines (série E), des capteurs de pression per-mettant l’accès direct, via l’ordinateur de bord, aux réglages et aux don-nées de pressions de serrage des rouleaux et des couteaux d’ébranchage, pendant les phases de maintenances mais également pendant les phases de travail.
Instrumentation
L’ensemble des composants utilisés pour l’instrumentation de la tête de bûcheronnage est présenté figure1.17.
La tête de bûcheronnage est munie d’un capteur de pression, de deux moteurs à courant continu jouant le rôle de dynamos tachymétriques pour mesurer la vitesse de rotation des rouleaux, ainsi que de deux capteurs d’efforts développés dans le cadre du projet. La pression d’alimentation est relevée sur l’une des prises de pressions prévues à cet effet.
Les capteurs d’efforts, présentés sur la figure1.18, agissent comme des vérins, reliés par des capillaires à des capteurs de pression hydraulique. Leur forme de couronne cylindrique permet un montage aisé sur les axes de rotation des couteaux mobiles supérieurs. La calibration de ces cap-teurs est réalisée sur banc d’essai, par la mesure simultanée de la pression relevée et de l’effort appliqué. En raison de la limitation dans l’acquisition des pressions évoquée précédemment, ces deux capteurs d’efforts ne sont pas raccordés au circuit hydraulique principal.
Figure 1.18 – Capteurs d’effort montés sous les couteaux mobiles
Protocole expérimental
En ce qui concerne les essences feuillues, l’intérêt est tout d’abord porté sur le chêne en raison des efforts de coupe élevés rencontrés lors de son façonnage et sur le hêtre, qui présente différents angles d’insertion. Pour chaque arbre, le déroulement prévu est le suivant :
– abattage de l’arbre et dépose au sol ;
– mesure de la géométrie de l’arbre (cf. protocole de caractérisation, annexeB) et marquage ;
– pesée de l’arbre à l’aide du peson suspendu sous la tête d’abattage (étape réalisable avant les mesures géométriques si besoin) ;
– début de l’acquisition vidéo, façonnage (relevé des grandeurs précé-demment présentées);
– fin de l’acquisition vidéo.
1.4.4 Résultats obtenus
La figure1.19 illustre une acquisition obtenue lors de cette première campagne d’essais, menée sur une douzaine d’arbres. Au vu de ces ré-sultats, on peut constater que les efforts relevés sur les couteaux d’ébran-chages sont généralement compris entre 30 et 60 kN. Cette plage de valeur est supérieure à l’effort d’entraînement théorique de 24 kN annoncé par le constructeur Kesla pour sa tête 25RH (Kesla Oyj 2013). Ceci s’explique par le fait que le conducteur d’engin préfère généralement utiliser, en plus des rouleaux d’entraînement, le déplacement de la grue du porte-outil afin de
