PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota

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PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota
 MODULE DES SCIENCES APPLIQUÉES
Étude de conception des modifications du véhicule
TOYOTA LAND CRUISER
PROJET APPLIQUÉ DE FIN D’ÉTUDES EN INGÉNIERIE DANS LE CADRE DU
PROGRAMME DE BACCALAURÉAT EN GÉNIE ÉLECTROMÉCANIQUE Présenté par : Kroumil Zineb, 4ème année étudiante en génie électromécanique.
El Ouafi Abderrahim, 4ème année étudiant en génie électromécanique.
Superviseur: Walid Ghié, professeur, P.h. D., ing. Jr., Professeur, UQAT.
Représentant industriel : Robert Lefloïc, Directeur département de soudure, Accès Industriel.
2 Avril 2009
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REMERCIEMENTS
Nous tenons à offrir nos sincères remerciements, à :
•
Superviseur, Walid Ghié professeur de module de sciences appliquées pour son soutien
constant, ses précieux conseils et sa disponibilité tout au long de ce projet.
•
Robert Lefloïc notre représentant industriel pour avoir suivi de prêt notre travail
pendant notre présence à l’entreprise Accès Industriel.
•
Fouad Erchiqui, Tikou Belem & Yves Ruel, Professeurs à l’UQAT pour leurs conseils
et suggestions.
•
Patrick Martel, Ingénieur du GÉNIVAR.
•
Membres du Jury qui nous font l’honneur de participer à la présentation.
• Tous les membres du département des sciences appliquées (programme de génie) qui,
de prés ou de loin, ont participé directement ou indirectement à la réalisation de ce
projet.
Enfin, nous adressons notre dernier remerciement, mais non le moindre, à nos familles (famille
Kroumil et famille El Ouafi) pour leurs soutien morale.
KROUMIL Zineb
EL OUAFI Abderrahim Hiver 2009
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RÉSUMÉ
Accès Industriel est spécialisé dans la vente, l’adaptation et la location des véhicules Toyota
Land cruiser, transformés et modifiés selon les exigences et les applications de chaque
utilisateur.
Lors de la circulation de ce véhicule dans les galeries des mines, il a été remarqué que malgré
sa petite taille, il ne peut pas virer dans un court rayon, et sa suspension ne peut pas accepter le
terrain accidenté.
Pour cela, l’entreprise a décidé d’articuler le châssis afin de faciliter sa circulation, et de
l’équiper par un nouveau modèle de plates-formes élévatrices à ciseaux. Cet engin sera son
propre produit afin de diminuer leurs coûts de fabrication ainsi que les délais de livraison.
Le travail présenté dans ce projet de fin d’études en génie électromécanique a pris forme afin de
résoudre ces problématiques.
Quatre solutions ont été proposées en ce référant à des modèles des véhicules articulés et des
plates-formes élévatrices existants. Deux solutions concernant l’articulation et les deux autres
solutions concernant la plate-forme à ciseaux.
Deux solutions parmi les quatre ont été choisies par le représentant industriel suite à leurs
avantages au niveau du coût et de sa facilité de mise en œuvre. Ces solutions consistent
à concevoir:
• Une articulation avec arbre de transmission articulé et guidé;
• Une plate-forme avec des roues en acier.
Une étude approfondie sur ces deux solutions a été réalisée, qui consiste d’abord à évaluer leur
résistance structurale afin de les optimiser par la suite, puis développer leur circuit hydraulique
de fonctionnement, et à la fin, analyser leur coût de fabrication et d’implantation.
KROUMIL Zineb
EL OUAFI Abderrahim Hiver 2009
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ABSTRACT
Accès Industriel is specialized in the sale, the adaptation and the hiring of the vehicles Toyota
Land cruiser, Transformed and modified according to the requirements and applications of each
user.
During the circulation of this vehicle in the galleries of the mines, it was noticed that in spite of
its small size, it cannot transfer in a short ray, and its suspension cannot accept the rough
ground.
For that, the company decided to articulate the frame in order to facilitate its circulation, and to
equip it by a new model with lift scissor platforms. This machine will be the new product of the
company in order to reduce their manufacturing costs as well as the delivery periods.
The work presented in this final project in electromechanical engineering took form to solve
these problems.
Four solutions were proposed in this referring to models of the articulated vehicles and lifting
platforms existing. Two solutions concerning the articulation and the two other solutions
concerning the platform with scissors.
Two solutions among the four were chosen by the industrial representative following their
advantages on the level of the cost and its simplicity of implementation. These solutions consist
in conceiving:
•
An articulation with driveshaft articulated and guided;
•
A platform with steel wheels.
An in-depth study on these two solutions was carried out, which initially consists in evaluating
their structural strength in order to optimize them thereafter, then to develop their hydraulic
system of operation, and at the end, to analyze their manufacturing costs and implementation.
KROUMIL Zineb
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Table des matières
CHAPITRE I : INTRODUCTION ........................................................................................................... 10 1.1 Aperçu de l’entreprise ............................................................................................................... 11 1.2 Problématiques : ....................................................................................................................... 13 1.3 Situation désirée : ..................................................................................................................... 15 1.4 Mandat : .................................................................................................................................... 16 CHAPITRE 2 : RECHERCHE DES SOLUTIONS ................................................................................. 17 2.1 Articulation ............................................................................................................................... 18 2.1.1. Situation actuelle du véhicule Toyota Land Cruiser ......................................................... 18 2.1.2. Critères techniques pour la conception de l’articulation : ................................................. 18 2.1.3. Solutions proposées : ........................................................................................................ 19 2.2 Plate-forme élévatrice à ciseaux: ............................................................................................. 21 2.2.1. Généralités : ...................................................................................................................... 21 2.2.2. Norme nationale canadienne pour la conception de la plateforme à ciseaux : .................. 22 2.2.3. Caractéristiques techniques fournis par le client : ............................................................. 24 2.2.4. Solutions proposées : ........................................................................................................ 24 2.3 Comparaison des solutions : ..................................................................................................... 26 CHAPITRE 3 : DÉVELOPPEMENT DE LA SOLUTION FINALE ..................................................... 29 3.1. Développement et dimensionnement de la plate-forme à ciseaux ........................................... 30 3.1.1 Étude structurale : ............................................................................................................. 37 3.1.2 Circuit hydraulique de la plateforme élévatrice à ciseaux: ............................................... 42 3.2. Dimensionnement et Développement du véhicule articulé portant une plate-forme à ciseaux: 50 3.2.1. Étude structurale de l’articulation : ................................................................................... 51 3.2.2. Étude structurale du pivot : ............................................................................................... 55 3.2.3. Circuits hydrauliques – stabilisateurs et pivot - ................................................................ 56 CHAPITRE 5 : SANTÉ ET SÉCURITÉ – ÉTUDE DES COÛTS DE LA SOLUTION FINALE ......... 58 CONCLUSION ........................................................................................................................................ 65 RECOMMANDATIONS : ....................................................................................................................... 66 KROUMIL Zineb
Hiver 2009
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EL OUAFI Abderrahim PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
RÉFÉRENCES ET BIBLIOGRAPHIES ................................................................................................. 67 Annexe A : Programme Matlab pour le calcul statique ........................................................................... 68 Annexe B : Résultats de simulation de la plate-forme élévatrice à ciseaux sur Ansys ............................ 70 Annexe C : Résultats de la simulation de l’articulation sur Ansys .......................................................... 84 Annexe D : Programme Matlab pour le calcul des paramètres du circuit hydraulique ............................ 88 Annexe E :JLG scissor ............................................................................................................................. 90 Annexe F:Pompe hydraulique choisie – CHV HYDRAULIQUE. .......................................................... 92 Annexe H : Soumissions fournis par GÉLIKO. ....................................................................................... 94 Annexe I : Dessin détaillé de l’articulation. ............................................................................................. 97 Annexe H : Dessin détaillé de la plate-forme à ciseaux. .......................................................................... 98 KROUMIL Zineb
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Liste des figures
Figure 1- 1 : Entreprise Accès Industriel. ................................................................................................ 11 Figure 1-2: Véhicules équipés pour les besoins miniers. ......................................................................... 12 Figure 1- 3 : Véhicule Toyota dans la mine Doyon subi un virage. ......................................................... 13 Figure 1- 4 : Plate-forme à ciseaux. ......................................................................................................... 14 Figure 1- 5 : Camion avec une plateforme à ciseaux dans une mine. ...................................................... 14 Figure 1- 6 : Situation désirée du véhicule Toyota Land Cruiser. ........................................................... 15 Figure 2- 1 : Véhicule Toyota Land Cruiser avant modification. ............................................................ 18 Figure 2- 2 : Dessin montrant la situation actuelle de Toyota. ................................................................. 19 Figure 2- 3 : Articulation avec arbre de transmission articulé et guidé. ................................................... 20 Figure 2- 4 : Articulation avec arbre de transmission articulé et libre. .................................................... 21 Figure 2- 5 : Plate-forme à ciseaux. ......................................................................................................... 22 Figure 2-6 : Plateforme à ciseaux avec des appuis glissants. ................................................................... 25 Figure 2-7 : Plateforme à ciseaux avec des roues en acier. ...................................................................... 26 Figure 2-8 : Solutions retenues. ............................................................................................................... 28 Figure 3- 1 : Plate-forme à ciseaux avec des roues en acier modélisée. .................................................. 31 Figure 3- 2 : Vu de face de l'élévateur à ciseaux. ..................................................................................... 32 Figure 3- 3 : Sections simulées. ............................................................................................................... 37 Figure 3- 4: Simulation de la section haut de la plate-forme. .................................................................. 40 Figure 3- 5 : Application de forces extérieures de 300 lbf dans plusieurs endroits. ................................ 41 Figure 3- 6 : Simulation des traverses supérieures ou intermédiaires de la plate-forme. ......................... 42 Figure 3- 7 : Circuit hydraulique en position neutre du système de levage de la plate-forme à ciseaux. 43 Figure 3- 8: Véhicule articulé portant la plate-forme élévatrice équipée par des dispositifs de sécurité. 51 Figure 3- 9 : Chargements et forces appliquées sur le véhicule articulé. ................................................. 52 Figure 3- 10: Représentation des forces sur le châssis. ............................................................................ 53 Figure 3- 11 : Illustration des forces appliquées dans le logiciel Solid Works. ....................................... 53 Figure 3-12: Simulation de l'articulation. ................................................................................................. 54 Figure 3- 13 : Simulation du pivot. .......................................................................................................... 55 Figure 3- 14: Circuit hydraulique finale. .................................................................................................. 56 KROUMIL Zineb
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Liste des tableaux
Tableau 1: Les avantages et inconvénients des solutions proposées. ....................................................... 27 Tableau 2: Résultat d'étude statique. ........................................................................................................ 33 Tableau 3: Valeurs des réactions dans les liaisons. .................................................................................. 36 Tableau 4: Résultats d'étude structurale pour les trois sections. .............................................................. 39 Tableau 5 : Résultats d'étude structurale de la plate-forme. ..................................................................... 41 Tableau 6: Caractéristiques de la pompe choisie. .................................................................................... 45 Tableau 7: Simulation du circuit hydraulique de la plate-forme. ............................................................. 48 Tableau 8 : Comparaison entre les résultats de la simulation et les résultats théoriques : ....................... 49 Tableau 9 : Estimation des coûts de fabrication des pièces de la plate-forme élévatrice. ........................ 61 Tableau 10 : Estimation des coûts des composantes hydraulique de la plate-forme à ciseaux. ............... 62 Tableau 11 : Estimation des coûts de fabrication des pièces de l’articulation. ........................................ 62 Tableau 12 : Estimation des coûts des composantes hydraulique de l’articulation. ................................ 63 KROUMIL Zineb
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Liste des symboles et des abréviations
Unité de mesure (pouce). : Débit à l’admission
: Débit au refoulement
Pression à l’admission : Pression
au refoulement
Vitesse de sortie de la tige La force de poussé sur la tige
: L’aire effective de la base du piston : L’aire
effective de la base la tige
Puissance mécanique au niveau de la tige
Puissance hydraulique à l’admission du vérin
Chargement répartie.
Le poids.
G.P.M : galon par minute.
lbs : livre ou livre-masse, unité de masse utilisée dans l’impériale.
R.P.M : rotation par minute.
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CHAPITRE I : INTRODUCTION
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À travers ce chapitre, une présentation générale de l’entreprise sera effectuée. Ensuite, les
problématiques et le mandat du projet seront définis.
1.1 Aperçu de l’entreprise
L’entreprise «Accès Industriel» (fig.1-1) située à Rouyn-Noranda au Québec a été fondée en
1998, elle fait partie de la dynamique division industrielle du Groupe Dion. Elle couvre
principalement le territoire de l’Abitibi-Témiscaminque, mais ses clients viennent aussi du reste
du Québec ainsi que de l’Ontario et des Maritimes. L’équipe Accès Industriel compte
actuellement plus de 30 employés.
Figure 1- 1 : Entreprise Accès Industriel.
Accès Industriel se spécialise dans la vente et la location d’équipements destinés aux
particuliers et aux entreprises qui œuvrent dans les domaines : minier, forestier et de la
construction. Elle dispose d’un atelier de mécanique et de soudure pour entretenir, réparer et
fabriquer son matériel.
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Parmi les principaux services et produits offerts par l’entreprise, il y a :
•
Location : Accès Industriel loue notamment toute une gamme de chariots élévateurs, de mâts
hydrauliques, de nacelles et de plates-formes élévatrices pour différentes applications. Un
programme d’entretien préventif est aussi offert pour les équipements de levage. L’entreprise
possède d’ailleurs une unité mobile qui lui permet d’offrir ce genre de service.
•
Vente : Accès Industriel est spécialisé également dans la vente des véhicules Toyota Land
Cruiser. Ces derniers sont transformés selon les exigences des clients afin de s’en servir au
transport de passagers, d’outillage ou d’équipements. Parmi les transformations effectuées sur
ces véhicules, l’installation des cabines en aluminium pour transporter les passagers, des boîtes
en aluminium pour les outils de travail miniers ou des équipements tels que les nacelles, grues
auxiliaires et les plates-formes à ciseaux.
La figure 1- 2 montre quelques véhicules Toyota Land Cruiser transformés aux besoins miniers.
Figure 1-2: Véhicules équipés pour les besoins miniers.
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1.2 Problématiques :
Deux problématiques ont été constatées par l’entreprise, l’une concernant le véhicule Toyota
lors des déplacements dans les galeries des mines et l’autre concernant le délai et le coût des
plates-formes élévatrices.
Véhicule Toyota : Les véhicules sont relativement petits et robustes, ils peuvent passer dans les
coins les plus difficilement accessibles. Leur principal défaut est qu’ils ne peuvent pas virer
dans un court rayon (fig.1-3) et la suspension ne peut pas accepter le terrain accidenté (des
pentes, des virages et un terrain en mauvais état).
Figure 1- 3 : Véhicule Toyota dans la mine Doyon subi un virage.
La plateforme à ciseaux : Aujourd’hui, plusieurs mines sont mécanisées. La méthode
d’extraction ainsi que le type de gisement exigent que la mine utilise plusieurs plates-formes.
Dans des galeries hautes et larges, il se sert de plates-formes élévatrices à ciseaux (fig.1.4) pour
différentes opérations : boulonnage, installation de la ventilation, etc.
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Figure 1- 4 : Plate-forme à ciseaux.
La figure 5 montre une plate-forme à ciseaux fixée à l’arrière d’un véhicule sur roues.
Figure 1- 5 : Camion avec une plateforme à ciseaux dans une mine.
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Comme déjà mentionné, la plupart des clients de l’entreprise sont les compagnies des secteurs
miniers. Ses clients exigent l’installation d’un élévateur à ciseau sur le véhicule Toyota Land
Cruiser. Selon le dirigeant, le problème qui se pose à ce niveau est le délai de livraison de cet
appareil de levage qui peut aller jusqu’à 6 semaines. Ainsi que le coût d’achat qui se lève
jusqu’à 10 000$ pour un élévateur à ciseau de 3 sections.
Pour y remédier, l’entreprise demande à développer une étude de conception d’une plate-forme
à ciseaux qui sera installée sur le châssis articulé du véhicule Toyota Land cruiser.
1.3 Situation désirée :
Avant de procéder au développement d’une solution, cette section décrit la situation désirée.
Accès Industriel désire rendre le véhicule plus versatile et mieux adapté aux besoins du milieu
minier. Pour atteindre cet objectif ce véhicule doit être muni d’une articulation, qui sera capable
de le faire virer dans un court rayon et de stabiliser sa partie arrière sur un plan horizontal. La
partie arrière doit être équipée d’un élévateur à ciseaux capable de se lever à 12 pieds en
supportant un chargement de 500 livres.
Figure 1- 6 : Situation désirée du véhicule Toyota Land Cruiser.
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1.4 Mandat :
Le mandat proposé par l’entreprise est la conception des modifications d’un véhicule de mine
Toyota Land cruiser, consistant à :
•
Concevoir un système de levage;
•
Modéliser le système de levage;
•
Réaliser une simulation du circuit hydraulique du système de levage à l’aide du logiciel
Automation studio;
•
Conception d’une articulation au niveau du véhicule;
•
Modéliser l’articulation du véhicule;
•
Réaliser une étude structurale sur les deux concepts étudiés.
•
Estimer les coûts de la solution;
•
Documenter l’ensemble du projet.
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CHAPITRE 2 : RECHERCHE DES SOLUTIONS
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A travers ce chapitre, quatre solutions ont été proposées aux problématiques citées
précédemment; deux solutions concernant l’articulation du véhicule Toyota Land Cruiser et les
deux autres solutions concernant la plate-forme à ciseaux.
2.1 Articulation
Dans cette section, une description de la situation actuelle du véhicule sera définie, ainsi que les
critères exigés par le client afin de solutionner le problème lié au véhicule Toyota.
2.1.1.
Situation actuelle du véhicule Toyota Land Cruiser
Ce véhicule est muni d’un moteur Diesel avec six cylindres et une transmission de cinq vitesses
manuelles. Il est conçu pour les applications difficiles. Il est composé d’un châssis, dont la
partie avant porte le poste de conduite, et la partie arrière qui porte les équipements.
Figure 2- 1 : Véhicule Toyota Land Cruiser avant modification.
2.1.2.
Critères techniques pour la conception de l’articulation
Les critères suivants doivent être pris en considération pendant la conception de l’articulation :
¾ Facilité du mouvement du mécanisme.
¾ Angle de virage environ 30°.
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¾ Articulation sur les deux plans autour de l’axe X et de l’axe Y (fig.2-2).
Figure 2- 2 : Dessin montrant la situation actuelle de Toyota.
¾ Facilité de fabrication des pièces : pliage, usinage, soudage.
¾ Facilité de l’implantation dans le châssis.
¾ Supporter une plate-forme à ciseaux installé à l’arrière du châssis.
¾ Guidé par un circuit hydraulique.
¾ Coût de fabrication moyen.
¾ Sécurité du véhicule.
2.1.3.
Solutions proposées :
Au niveau de l’articulation, les deux solutions proposées seront décrites ci-après de manière
plus détaillée.
Solution 1 : Articulation avec arbre de transmission articulé et guidé.
Cette solution consiste à introduire une articulation dans le châssis, capable de faire pivoter la
partie arrière du châssis par rapport à la partie avant autour des deux axes X et Y (fig.2-3).
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Cette articulation va être conçue de façon à introduire l’arbre de transmission à travers son
centre (voir fig.2-3). Vue que l’arbre de transmission n’est pas centré et il passe au dessous du
châssis, il faut donc l’articuler à trois endroits afin de le ramener au centre de l’articulation ainsi
pour faciliter son mouvement. Cette articulation va être guidée par deux vérins reliant les deux
parties du châssis, ces vérins vont être intégrés dans le circuit hydraulique de la direction du
véhicule.
Figure 2- 3 : Articulation avec arbre de transmission articulé et guidé.
Solution 2 : Articulation avec arbre de transmission articulé et libre.
Une autre solution qui a été proposée consiste à introduire une articulation dans le châssis,
ayant le même principe de fonctionnement de l’articulation de la première solution, sauf qu’au
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lieu d’introduire l’arbre de transmission à son centre, il sera articulé et centré au dessous d’elle
comme indiquée à la figure 2-4. Cette articulation aussi va être guidée par un circuit
hydraulique avec deux vérins comme déjà expliqué dans la première solution.
Figure 2- 4 : Articulation avec arbre de transmission articulé et libre.
2.2 Plate-forme élévatrice à ciseaux:
À travers cette section, une vue générale sur l’utilité et les normes de conception et de
fabrication des plates-formes sera déterminée, ainsi des caractéristiques techniques fournis par
le client seront indiquées afin de trouver des nouveaux concepts pour la plate-forme à ciseaux.
2.2.1.
Généralités :
La plate-forme de travail élévatrice, ou table élévatrice à ciseaux, est un engin muni d’une
plate-forme de travail à position réglable (monté sur une structure) qui est utilisé pour mettre en
place le personnel, l’outillage et les matériaux nécessaires à l’exécution d’une tâche. Les gens
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des métiers industriels et de la construction utilisent très souvent ce type de mécanisme en
raison de sa versatilité, de sa stabilité et de sa facilité d’utilisation.
Les plates-formes à ciseaux sont utilisées entre autres, dans des galeries hautes et larges des
mines pour différentes opérations comme sondage, purgeage, boulonnage et installation de la
ventilation.
La plate-forme élévatrice (fig.2-5) est constituée au minimum d’une plate-forme de travail (un
plateau entouré d’un garde-corps), une structure extensible (mécanisme à ciseaux) et un châssis
(châssis de véhicules ou porteur).
Elle est soulevée et abaissée par des vérins hydrauliques et un mécanisme à ciseaux expansif.
Les plateformes à ciseaux doivent être installées sur un terrain d’un niveau stable.
Figure 2- 5 : Plate-forme à ciseaux.
2.2.2.
Norme nationale canadienne pour la conception de la plateforme à ciseaux :
La plate-forme doit être conçue selon la norme CAN/CSA-B354.1-04. Cette norme vise à
définir les critères de conception de fabrication, de mise à l’essai, de rendement, d’inspection,
d’entretien et de conduite prudente des plates-formes de travail élévatrices portatives afin de
protéger les travailleurs et de réduire au minimum les risques de blessures.
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•
Charge de travail nominale : La charge de travail nominale d’une plate-forme élévatrice
ne doit pas être inférieure à 300 lb.
•
Table :
9 Largeur et la surface : La table doit avoir au moins 18 po de largeur. La surface
du plancher doit être antidérapante.
9 Garde corps : La table doit comporter un garde-corps sur son périmètre extérieur.
Si le garde corps est amovible ou s’il peut être abaissé, il faut alors que les
dispositifs servant à le maintenir en position normale de fonctionnement soient
placés à un endroit pratique pour les inspections et l’entretien.
9 Traverse supérieure : Le garde-corps doit comporter une traverse supérieure sur
son périmètre extérieur. La traverse supérieure doit être placée à 42
3 po au
dessus du plancher de la table.
9 Traverse intermédiaire : Le garde corps doit comporter une traverse à peu prés à
mi-chemin entre la traverse supérieure et le plancher de la table.
•
Plinthes : La table doit être comportée des plinthes sur tous ses côtés. Les plinthes
doivent mesurer au moins 4 po de hauteur.
•
Accès : La plate-forme élévatrice doit comporter un accès permettant au personnel
d’entrer sur la table et d’en sortir tandis qu’elle est en position abaissé. Dans le cas où la
distance entre le niveau d’accès et le plancher de la table à sa position d’accès dépasse
20 po. La plateforme élévatrice doit être pourvue d’une échelle d’accès. Le système
d’accès doit permettre et, en plaçant correctement les composants, faciliter l’obtention
de trois points de support lors de la montée ou de la descente du système d’accès.
Les marches ou les échelons doivent satisfaire aux exigences suivantes :
9 Ils ne doivent pas être espacés de plus de 12 po.
9 Ils doivent être répartir à égale distance entre la première marche ou le premier
échelon et le plancher de la table.
9 La première marche ou le premier échelon doit se trouver à 20 po du sol.
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9 Chaque marche doit avoir au moins 12,5 po de largeur tout au moins 1 po de
profondeur et doit avoir une surface antidérapante.
9 L’avant des marches doit être à une distance horizontale d’au moins 6 po de la
structure de support de tout autre composant de la plate-forme élévatrice.
9 L’échelle d’accès doit être symétrique avec l’ouverture d’accès.
2.2.3.
Caractéristiques techniques fournis par le client
Selon le client, la plate-forme à ciseaux doit respecter les critères suivants :
¾ Constituée de trois sections (X);
¾ Guidée par deux vérins;
¾ Fabriquée par des pièces standards (Tubes rectangulaires, profilés) et des plaques
pliées.
¾ Avoir une plate-forme d’une longueur de 67 pouces et une largeur de 36 pouces;
¾ Être capable de lever une charge de 500 livres;
¾ Et atteindre une hauteur maximale de 12 pieds.
2.2.4.
Solutions proposées
Les solutions suivantes sont le résultat d’une étude approfondie visant à concevoir une
plateforme à ciseaux n’utilisant que des pièces faciles à fabriquer et à très bas coût.
Solution 1 : plateforme à ciseaux avec des appuis glissants.
Cette solution consiste à concevoir une plateforme avec des appuis glissants sur des railles, un
panier avec coins ronds, une base fabriquée avec une plaque pliée, des vérins supportés sur des
poutres profilés en L et des membrures fabriquées avec des tubes rectangulaires.
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Figure 2-6 : Plateforme à ciseaux avec des appuis glissants.
Solution 2 : plateforme à ciseaux avec roues en acier.
Cette solution consiste à concevoir une plateforme avec des appuis roulants avec des roues en
acier, un panier avec coins ronds, une base fabriquée avec des poutres profilés en L, des vérins
supportés sur des tubes circulaires et des membrures fabriquées avec des tubes rectangulaires.
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Figure 2-7 : Plateforme à ciseaux avec des roues en acier.
2.3 Comparaison des solutions :
Le tableau 1 contient un résumé de toutes les solutions proposées ainsi que leurs avantages et
leurs inconvénients.
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Tableau 1: Les avantages et inconvénients des solutions proposées.
Solutions proposées
Avantages
2
Plate-forme à ciseaux
1
2
Articulation
1
9 Facilité de fabrication
Articulation avec arbre de
transmission articulé et
guidé.
Articulation avec arbre de
transmission libre.
Plateforme à ciseaux avec
des appuis glissants.
Plateforme à ciseaux avec
des roues en acier.
des pièces dans l’entreprise
(HSS, pièces pliées)
9 Coût de fabrication
moyen.
9 Facilité de mouvement
du mécanisme.
9 Facilité de fabrication
des pièces dans l’entreprise.
9 Simplicité de conception.
9 Cout de fabrication
moyen.
9 Fabriquée avec des
pièces standards.
9 Levage avec deux vérins
Æ moins de pression
dans le circuit.
9 Fabriquée avec des
pièces standards.
9 Levage avec deux vérins
Æ moins de pression
dans le circuit.
9 Translation des
membrures avec des
roues en acier Æ facilitée
de translation.
9 Base fait avec des
profilés en L Æ rigidité.
9 Supports des vérins faits
avec des tubes ronds Æ
éviter la torsion.
Inconvénients
9 3 articulations de plus sur
l’arbre de transmission.
9 Plus d’opérations de
fabrication.
9 Risque de blocage de
l’arbre de transmission.
9 Arbre de transmission non
centré.
9 Complexité du mouvement
du mécanisme.
9 Translation des
membrures avec glissière Æ
usure.
9 Base faite avec une
plaque pliée Æ plus de poids
et moins résistance.
9 Supports des vérins faits
avec des profilés en L Æ
risque de torsion.
9 Roues en acier fabriqués
par usinage Æplus de coût.
KROUMIL Zineb
EL OUAFI Abderrahim Hiver 2009
27
PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
Après discussions sur les solutions proposées avec le représentant industriel de l’entreprise
Accès Industriel, l’articulation avec arbre de transmission articulé et guidé et la plate-forme
avec des roues en acier ont été choisies suite à leurs avantages (tableau 1).
Figure 2-8 : Solutions retenues.
Le prochain chapitre présente une étude approfondie pour les deux solutions afin d’examiner
les deux concepts réalisés et pour trouver toutes les informations sur les produits nécessaires.
KROUMIL Zineb
EL OUAFI Abderrahim Hiver 2009
28
PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
CHAPITRE 3 : DÉVELOPPEMENT DE LA SOLUTION FINALE
KROUMIL Zineb
EL OUAFI Abderrahim Hiver 2009
29
PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
Dans ce chapitre, les étapes de développement de la solution finale seront détaillées. Chacune
des étapes sera expliquée et appuyées par des simulations et des études relatives aux concepts
étudiées.
À la fin, une proposition du matériel et des composantes hydrauliques nécessaires pour la
fabrication des concepts choisis sera réalisée.
3.1.
Développement et dimensionnement de la plate-forme à ciseaux
Les plates-formes élévatrices doivent être conçus, construites et mises à l’essai suivant des
principes d’ingénierie compatibles avec toutes les données disponibles concernant les
paramètres d’utilisation envisagée et les conditions environnementales prévues en tenant
comptent du fait qu’elles assurent le transport du personnel.
Parmi ces principes d’ingénierie qui doivent être traités et étudiés, il y a l’étude de la structure
(étude de résistance de matériaux), et l’étude du circuit hydraulique qui actionne la plate-forme
à ciseaux (fig.3-1). Pour cela, une étude statique sera réalisée sur la plate-forme à ciseaux pour
déterminer les réactions dans les liaisons.
KROUMIL Zineb
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30
PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
Figure 3- 1 : Plate-forme à ciseaux avec des roues en acier modélisée.
La figure 3-2 présente une illustration de l’élévateur à ciseaux d’un seul coté. Vu que les deux
cotés sont symétriques, les forces et les chargements sont divisés par deux. La force P
représente le poids du panier, et le chargement W représente la charge que doit lever l’appareil,
le vérin est représenté par la membrure 6.
KROUMIL Zineb
EL OUAFI Abderrahim Hiver 2009
31
PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
Figure 3 - 2 : Vu de face de l'élévateur à ciseaux. Le bilan des forces dans chaque membrure sera établi afin de déterminer les réactions dans
toutes les liaisons lorsque la plate-forme éteint sa hauteur maximale (12 pi par rapport au sol).
KROUMIL Zineb
EL OUAFI Abderrahim Hiver 2009
32
PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
Le tableau 2 résume les bilans des forces et des moments dans chaque membrure :
Tableau 2: Résultat d'étude statique.
Les membrures
En isolant les éléments
Le bilan des forces et des moments
(2-3-4-5-6-7-8-9 ), les
réactions dans les points A et B ont été déterminé.
Le bilan des forces suivant x est :
0 Le bilan des forces suivant y est :
32 7
8
2
0 Le bilan des moments au point A est : En isolant l’élément 9 :
46
32 7
8
65 11
16
32 7
8
0 Le bilan des forces suivant x est :
0 Le bilan des forces suivant y est : 32 7
8
2
0 Le bilan des moments au point J est : 46
En isolant l’élément 7 :
32 65 32 0 Le bilan des forces suivant x est :
0 Le bilan des forces suivant y est : 0 Le bilan des moments au point H: 22 11
32
23
1
10 8
11
7 16
46
0
KROUMIL Zineb
EL OUAFI Abderrahim Hiver 2009
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Le bilan des forces suivant x est :
En isolant l’élément 8 :
0 Le bilan des forces suivant y est : 0 Le bilan moments au point G est : 22 En isolant l’élément 5 :
11
32
23
46
0 Le bilan des forces suivant x est :
0 Le bilan des forces suivant y est : 0 Le bilan moments au point D est : 23
44 En isolant l’élément 4 :
22 11
32
11
16
46
0 Le bilan des forces suivant x est :
0 Le bilan des forces suivant y est : 0 Le bilan des moments au point E est : 23
44 22 11
16
11
32
46
0
KROUMIL Zineb
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Le bilan des forces suivant x est :
En isolant l’élément 2 :
0 Le bilan des forces suivant y est : 0 Le bilan des moments au point E est : 23
22 46
0 En isolant l’élément 3 :
Le bilan des forces suivant x est :
0 Le bilan des forces suivant y est : 0 Le bilan des moments au point D est : 8 8 22 En isolant l’élément 6 :
11
32
23
46
0 Le bilan des forces suivant x est :
0 Le bilan des forces suivant y est : 0 Le bilan des moments au point L est : 62 15
16
29 1
2
0 Les bilans des forces et des moments donnent 24 équations avec 24 inconnus.
KROUMIL Zineb
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35
PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
Selon la loi CAN/CSA-B354.1-04, toutes les plates formes élévatrices de série sur une surface
de niveau doivent subir un essai de charge qui doit inclure le mouvement de la table portant une
charge uniformément répartie égale 1,5 fois la charge de travail nominale dans toutes les
positions de fonctionnement afin de vérifier l’intégrité de la plate-forme élévatrice.
Vu que la plate-forme à ciseaux étudiée doit avoir une capacité de levage d’une charge de
travail nominale de 500 livres, c'est-à-dire qu’elle doit être capable également de lever une
charge de 500 * 1,5 = 750 livres, Selon la loi CAN/CSA-B354.1-04 citée précédemment, donc
le chargement répartie sur la table devient :
.
= 5.7 lb/po. Sans oublier le poids du
panier de la plate-forme qui vaut P = 530 livres.
Afin de résoudre ce système d’équation, un programme Matlab a été établi (Annexe A).
Le tableau 3 donne toutes les valeurs des réactions suivant les axes X et Y ainsi que la
résultante dans chaque liaison reliant les membrures de la plate-forme :
Tableau 3: Valeurs des réactions dans les liaisons.
Liaisons
A
B
Réaction suivant x
(lbf)
0
0
Réaction suivant y
(lbf)
182.6
Résultante
(lbf)
182.6
457.4
457.4
C
161.00
208.8
263.7
D
987.16
1096.4
1475.3
E
161.00
26.2
163.12
F
7.4
267.6
267.7
G
168.4
293.8
338.64
H
I
994.6
168.4
828.8
751.2
1294.6
769.8
J
K
L
M
0
0
826.16
826.16
182.6
457.4
1762.6
1762.6
182.6
457.4
1946.6
1946.6
KROUMIL Zineb
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36
PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
Les résultats obtenus seront utiles pour le calcul des paramètres de circuit hydraulique la plateforme à l’aide de la force appliquée sur le vérin ainsi que pour l’analyse structurale.
3.1.1 Étude structurale :
L’étude structurale de la plate-forme à ciseaux doit se faire pour la plate-forme et pour ses
éléments porteurs selon la norme CAN/CSA-B354.1-04.
Les éléments
porteurs de la
plate-forme
Figure 3- 3 : Sections simulées.
KROUMIL Zineb
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37
PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
L’étude de résistance de matériaux est effectuée par la méthode des éléments finis à l’aide de
logiciel Ansys qui permet de simuler le comportement mécanique de la structure et ensuite
d’étudier la déformation de la plateforme élévatrice.
ANSYS est logiciel de simulation par la méthode des éléments finis. Il est utilisé par beaucoup
d’ingénieurs et concepteurs dans le monde et couvre plusieurs secteurs de la physique,
notamment la mécanique. C’était donc le logiciel idéal pour simuler les problématiques et avoir
des résultats très convaincants et fiables. Ce logiciel utilise pour le calcul des contraintes et les
facteurs de sécurité les équations suivantes :
•
Contrainte équivalente de Von Mises :
1
(3.1)
√2
•
Contrainte maximale de cisaillement :
(3.2)
2
•
FS dû à la contrainte équivalente de Von Mises :
(3.3)
•
FS dû au cisaillement maximal :
(3.4)
2
Avec :
,
,
é
é max
min
,
,
,
,
,
,
é
.
.
.
.
KROUMIL Zineb
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38
PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
Lors de la simulation, il est possible d’évaluer les zones de contraintes élevées et ainsi,
modifier la structure pour optimiser son comportement et sa résistance. Il permet également de
réduire le coût de fabrication en éliminant la matière en excès.
Afin d’avoir une simulation qui s’approche de la solution réelle, un maillage plus fin à été
appliqué.
Pour simplifier la simulation, la plate-forme à ciseaux sera devisée en cinq parties (fig.3-3). Les
forces dans les réactions trouvées dans l’étude statique vont servir comme chargement sur
chaque partie de la plate-forme.
•
Les porteurs de la plate-forme :
Selon la norme CAN/CSA-B354.1-04, section « 4.5 Coefficient de sécurité structurale » pour
les matériaux ductiles :
Tous les éléments porteurs de la plate-forme élévatrice fabriqués de matériaux ductiles doivent
avoir un coefficient de sécurité au moins 2, basé sur la limite élastique minimale des matériaux
utilisés.
Le tableau 4 résume les résultats obtenus lors de la simulation y compris la contrainte
équivalente de von Mises, la contrainte maximale du cisaillement, les facteurs de sécurités dues
à la contrainte équivalente de von Mises et la contrainte maximale du cisaillement pour chaque
partie.
Tableau 4: Résultats d'étude structurale pour les trois sections.
Contrainte
équivalente de
von Mises
(PSI)
FS due à la
contrainte
équivalente de
von Mises
Contrainte
maximale
de cisaillement
(PSI)
FS due à la
contrainte
maximale de
cisaillement
Base
10594.43
3.42
5372.923
3.37
Section 1
13934.5
3.65
7914.419
3.22
Section 2
7717.603
6.59
4101.522
6.2
Section 3
17362.47
2.93
9605.849
2.65
KROUMIL Zineb
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39
PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
Les résultats obtenus de la simulation montrent que le facteur de sécurité de cette plate-forme
est de 2.65. Ce facteur de sécurité est supérieur à 2, cela est conforme à la norme CAN/CSAB354.1-04 dans la section « 4.5 Coefficient de sécurité structurale ».
La figure 3-4 montre le résultat de simulation de la section haut de la plate-forme ayant le plus
faible facteur de sécurité (FS = 2.65):
cc
Figure 3- 4: Simulation de la section haut de la plate-forme.
Pour voir les résultats de simulation des autres sections de la plate-forme à ciseaux, voir
l’Annexe B.
•
La plate-forme :
Selon la norme CAN/CSA-B354.1-04, dans la section « 4.11 Tables » pour l’intégrité
structurale :
Toutes les traverses supérieures ou intermédiaires ou les barrières verticales équivalentes
doivent pouvoir résister à une charge d’essai concentrée de 300 lbf appliquée dans n’importe
quelle direction sans atteindre la limite élastique du matériau.
KROUMIL Zineb
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40
PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
La figure 3-4 montre les endroits où la force de 300 lbf a été appliquée selon la loi citée
précédemment:
Figure 3- 5 : Application de forces extérieures de 300 lbf dans plusieurs endroits.
Le tableau 5 résume les résultats obtenus lors de la simulation y compris la contrainte
équivalente de Von mises, la contrainte maximale du cisaillement, les facteurs de sécurités dues
à la contrainte équivalente de von Mises et à la contrainte maximale du cisaillement pour la
plate-forme.
Tableau 5 : Résultats d'étude structurale de la plate-forme.
Contrainte
équivalente de
von Mises
(PSI)
FS due à la
contrainte
équivalente de
von Mises
Contrainte
maximale
de cisaillement
(PSI)
FS due à la
contrainte
maximale de
cisaillement
43675
1.16
24065
1.05
Plate-forme
D’après le tableau, la plate-forme a un facteur de sécurité de 1.05, c'est-à-dire qu’elle résiste à
la charge d’essai concentrée de 300 lbf sans atteindre la limite élastique du matériau.
KROUMIL Zineb
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PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
La figure 3-6 montre le résultat de simulation concernant le facteur de sécurité de la plateforme :
Figure 3- 6 : Simulation des traverses supérieures ou intermédiaires de la plate-forme.
Pour voir les résultats de simulation des contraintes selon von Mises et du cisaillement ainsi que
sa déformation, voir l’Annexe B.
3.1.2 Circuit hydraulique de la plateforme élévatrice à ciseaux:
a. Circuit hydraulique :
La figure 3-7 illustre le circuit hydraulique utilisé pour lever ou descendre la plateforme à
ciseaux.
KROUMIL Zineb
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42
PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
Figure 3- 7 : Circuit hydraulique en position neutre du système de levage de la plate-forme à ciseaux.
Cette figure montre deux vérins à double effet et à simple tige actionnés par l’intermédiaire
d’un distributeur à quatre orifices et à trois positions, à commande électrique par solénoïde des
deux cotés avec rappel par ressort à la position neutre. Ces deux vérins travaillent dans les deux
sens (en poussant et en tirant), c’est à dire que le fluide hydraulique est envoyé sous pression de
part et d’autre du piston en fonction du travail voulu (sortie-rentrée de tige).
Ils sont alimentés par une pompe hydraulique protégée par un limiteur de pression. Deux
clapets de retenue pilotés avec suppression possible par pilotage de la fermeture sont installées
avant les vérins du coté tête du vérin. Leur principale fonction est de bloquer l’entrée de la tige
lorsque le distributeur est à la position neutre. Des limiteurs de débit sont installées à l’entrée et
à la sortie des vérins pour de contrôler la vitesse de l’entrée et de la sortie de la tige, ainsi la
monté et la descente de l’élévateur à ciseaux.
KROUMIL Zineb
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PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
b. Calcul théorique des paramètres hydrauliques du circuit :
Sachant que la moyenne de temps de levage et de descente des plates-formes à ciseaux levant
jusqu’à 12 pieds est de 0.8 pied/s (voir annexe E, plate-forme modèle 1532E), et en choisissant
le diamètre des pistons des vérins 3po, le diamètre de la tige 1.5po et la course du cylindre
32po, tous les paramètres hydrauliques et mécaniques peuvent être déterminés (calcul avec
programme Matlab – Annexe D).
Note : les deux vérins vont effectuer le même mouvement et à la même vitesse, alors les
paramètres calculés vont être similaires.
Débits et vitesses dans le circuit :
•
L’aire effective de la base du piston :
•
7,068 ²
4
L’aire effective de la base de la tige :
= 1,76 (3.1)
²
(3.2)
Distributeur en position à voies parallèles :
•
La vitesse de la sortie de la tige :
•
2,13 (3.3)
Débit à l’admission :
•
/
3,91
(3.4)
Débit au refoulement :
2.93
(3.5)
Distributeur en position à voies croisées:
•
La vitesse de l’entrée de la tige :
KROUMIL Zineb
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PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
•
2,13 /
(3.6)
Débit à l’admission :
2,93
•
(3.7)
Débit au refoulement :
3,91
(3.8)
™ Pressions et puissances :
À partir du catalogue des pompes hydrauliques (Annexe F), une pompe a été choisie, capable de
fournir le débit nécessaire aux deux vérins du circuit.
Vu que le circuit est composé de deux vérins, alors le débit à l’admission du vérin sera
multiplié par deux, ainsi le débit que doit fournir la pompe doit être plus que 7,82 2
. La pompe choisie est du modèle «YC» caractérisé par:
Tableau 6: Caractéristiques de la pompe choisie.
Modèle No
116
Vitesse max. (R.P.M.)
3000
Déplacement par révolution
1,16
Volume (G.P.M.) @ 1800 R.P.M.
9,04
Pression d’opération max. (Psia)
2500
Entrée
¾ NPT
Sortie
½ NPT
Modèle d’arbre d’entrainement 3/4" chemin-clé
4114
KROUMIL Zineb
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PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
D’après le tableau la pression d’opération de la pompe est de 2500 Psia. Le limiteur de pression
doit être réglé à une pression 25% plus grande que la pression d’opération, c.-à-d. une pression
de 3125 Psia. La puissance de la pompe est donc de :
16,5 (3.9)
D’après les données du tableau, le reste des paramètres du vérin vont être déterminés :
Distributeur en position à voies parallèles :
•
Pression à l’admission :
Puisque la pompe fournit 9,04 G.P.M, l’excèdent de
1.22 2
9,04
2
3,91
doit être évacué par le limiteur de pression, qui s’ouvre à une pression de 3125
Psia, cette pression est celle qui s’exerce sur la base du piston, donc :
3125 •
Pression au refoulement :
Pour que l’équilibre des forces soit préservé, il faut qu’une contrepression s’exerce sur le coté
de la tige du vérin :
La force
que doit fournir le vérin est est celle calculée dans l’étude statique: M = 1946.6
Livres.
•
/
Puissance hydraulique :
2
•
(3.10)
=3794,55
14,268
(3.11)
Puissance perdue :
KROUMIL Zineb
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PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
2,232 (3.12)
Distributeur en position à voies croisés :
•
Pression à l’admission :
Puisque la pompe fournit 9,04 G.P.M, l’excèdent de
2,93
3,18 2
9,04
2
doit être évacué par le limiteur de pression, qui s’ouvre à une pression de
3125 Psia, cette pression est celle qui s’exerce sur la base du piston, donc :
3125 •
Pression au refoulement :
Pour que l’équilibre des forces soit préservé, il faut qu’une contrepression s’exerce sur le coté
de la tige du vérin :
•
/
Puissance hydraulique :
2
•
(3.13)
=2622,17
10,68 (3.14)
Puissance Perdue :
5,82 (3.15)
c. Comparaison des résultats théoriques avec les résultats de la simulation :
Une simulation du circuit hydraulique de la plateforme à ciseaux va être réalisée. Cette
simulation a pour objectif de tester le circuit hydraulique qui sera intégré dans la plate-forme
KROUMIL Zineb
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47
PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
élévatrice avant de le concevoir en réalité à l’aide du logiciel Automation Studio. Ce logiciel est
utilisé pour concevoir et simuler des circuits hydrauliques, et de démontrer et valider les
concepts étudiés plus rapidement.
Le tableau 7 la simulation du circuit hydraulique de la plate-forme dans les deux positions
parallèles et croisés. Elle montre également la direction de l’huile dans le circuit. Les conduites
en couleur rouge montrent que la pression est élevée, tandis que celles en couleur bleu montrent
que la pression est moyenne.
Tableau 7: Simulation du circuit hydraulique de la plate-forme.
Voies parallèles
Voies croisés
Afin d’évaluer les débits, les pressions ainsi que les puissances dans le circuit, des débitmètres,
des manomètres et des wattmètres ont été installés dans le circuit. Cela permet ainsi de
comparer les résultats de la simulation avec les résultats obtenus théoriquement.
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PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
Le tableau 8 montre une comparaison entre les résultats de la simulation et les résultats
théoriques :
Tableau 8 : Comparaison entre les résultats de la simulation et les résultats théoriques :
Voies croisés
Voies parallèles
Résultats théorique
Résultats de simulation
3,91
3,72 2,93
2,77 3125
3079,55 3794,55
3718,26 1,22
1,04 16,5
15,43 2,93
2,7 3,91
3,71 3125
3120,28 2622,17
2340,39 3,18
3,17 16,5
15,64 D’après le tableau, les résultats obtenus lors de la simulation sont plus petits que les résultats
théoriques, cela est dû aux réglages effectués sur l’ouverture des limiteurs de débit installés à
l’entrée et à la sortie des vérins.
Pour conclure, la conception de cette plate-forme à ciseaux a respecté la plupart des normes
applicables sur ce type d’engin. Ainsi elle va être installée sur le véhicule Toyota Land Cruiser
à châssis articulé. Dans la prochaine section, le développement el le dimensionnement du
véhicule articulé avec la plate-forme seront effectués.
KROUMIL Zineb
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49
PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
3.2.
Dimensionnement et développement du véhicule articulé portant une plateforme à ciseaux:
Un véhicule articulé portant une plate-forme élévatrice doit être conçu suivant des principes
d’ingénierie compatibles avec toutes les données disponibles concernant les paramètres
d’utilisation envisagée et les conditions environnementales prévues en tenant compte du fait
qu’elles assurent le transport du personnel.
Parmi ces principes d’ingénierie qui doivent être traités et étudiés, il y a l’étude structurale
(résistance des matériaux) et l’étude du circuit hydraulique de fonctionnement de l’articulation
ainsi que les dispositifs de sécurité de l’ensemble du véhicule.
La plate-forme à ciseaux sera installée sur le véhicule articulé. Elle sera posée sur un pivot
guidé par un circuit hydraulique, Ce dispositif va servir à la mise à niveau longitudinale de cet
engin pour une sécurité maximale. Les avantages d’installation de la plate-forme par un pivot
sont devenus évidents lors des travaux effectués sur une pente ascendante ou sur une pente
descendante dans les mines.
Ainsi, en raison du mauvais état (terrains accidentés) des galeries d’exploitation des mines, il
était nécessaire d’équiper le véhicule articulé portant la plate-forme par deux stabilisateurs
hydrauliques qui vont assurer le positionnement correct de la plate-forme, et permettre
également le réglage de son inclinaison latérale sur le terrain.
La mise à niveau du châssis, avec la variation de l’inclinaison latérale, est réalisé par
l’actionnement indépendant des deux stabilisateurs de chaque côté du véhicule. Le déploiement
et l’abaissement des stabilisateurs vont se faire par une commande hydraulique manuelle.
La figure 3-8 montre le véhicule Toyota Land Cruiser articulé portant la plate-forme à ciseaux
avec les différents accessoires de sécurité citée précédemment (pivot, stabilisateurs
hydrauliques).
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50
PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
Figure 3- 8: Véhicule articulé portant la plate-forme élévatrice équipée par des dispositifs de sécurité.
3.2.1.
Étude structurale de l’articulation :
Afin de rendre le véhicule plus sécurisé, une analyse par élément finis a été réalisée à l’aide du
logiciel SolidWorks sur le châssis articulé. Cette analyse consiste à identifier les zones de
faiblesse de la conception initiale de l’articulation et les renforcer par la suite en augmentant les
épaisseurs des pièces ou en ajoutant d’autres pièces.
Pour déterminer les chargements qui seront appliquées sur le châssis articulée, une illustration
(fig.3-9) du véhicule portant une plate-forme à ciseaux en deux dimensions a été modélisée à
l’aide du logiciel SolidWorks.
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Figure 3- 9 : Chargements et forces appliquées sur le véhicule articulé.
Selon les spécifications, le véhicule a un poids total de 2500 Kg. Le client a évalué le
chargement appliqué par la cabine sur le châssis de 4500 lbf, ce chargement représente le poids
de la cabine et le personnel.
Concernant le côté arrière du véhicule, les deux vérins supportant le pivot exercent une force
qui varie selon l’inclinaison de véhicule. En considérant les pires conditions, cette force a été
évaluée de 2500 lbf. Elle représente le poids total de la plate-forme à ciseaux (2000 lbf) plus la
charge nominale du travail (500 lbf).
Il reste à évaluer les réactions des roues. Pour cela une étude statique a été réalisée.
La figure 3-10 montre les chargements appliqués sur le châssis.
KROUMIL Zineb
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Figure 3- 10: Représentation des forces sur le châssis.
Les réactions A et B dans les roues sont :
Le bilan des forces suivant y est :
2500
4500
(3.16)
7000
(3.17)
Le bilan des moments au point B est : 2500 29.75
4500 125
165
(3.18)
0
(3.19)
Donc
(3.20)
2500 29.75 4500 165
7000
3860
125
(3.21)
3860
3140 (3.22)
À l’aide des résultats de l’étude statique, et des évaluations des forces appliquées sur le châssis,
l’étude structurale a été faite. La figure 3-11 montre les illustrations des forces appliquées dans
le logiciel de simulation SolidWorks :
Figure 3- 11 : Illustration des forces appliquées dans le logiciel Solid Works.
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Pour avoir plus de précision sur les résultats de la simulation, un maillage plus fin a été
appliqué sur le châssis. Les membrures du châssis ont été considéré rigides afin de voir la
déformation juste au niveau des pièces qui composent l’articulation.
La figure 3-12 montre le résultat final obtenu après plusieurs simulations sur les différents
changements effectués sur le châssis :
Figure 3-12: Simulation de l'articulation.
Le facteur de sécurité obtenu est de 3.65. Cela montre que l’articulation est assez sécuritaire, et
répond aux exigences du client.
Pour consulter les autres tracés (contrainte du au cisaillement maximale, la déformation… etc.),
voir l’annexe C.
Après cette étude, les détails du concept final de l’articulation présenté dans l’annexe I.
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3.2.2.
Étude structurale du pivot :
Il est utile de faire une étude sur la résistance du pivot afin d’assurer qu’il va supporter le poids
de la plate-forme. Cependant, une analyse par la méthode des éléments finis a été effectuée à
l’aide du logiciel Ansys pour identifier les zones de faiblesse de la structure et les corrigés pour
avoir plus de rigidité.
Plusieurs analyses ont été effectuées qui consistent à améliorer la structure du pivot en
modifiant les épaisseurs des pièces utilisés afin d’arriver à un facteur de sécurité qui respecte la
norme canadienne de la conception de la plate-forme qui exige un facteur de sécurité d’au
moins 2 sur ses éléments porteurs.
La figure 3-10 montre le résultat de la simulation finale du pivot qui donne un facteur de
sécurité de 2.3 :
Figure 3- 13 : Simulation du pivot.
KROUMIL Zineb
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PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
3.2.3.
Circuits hydrauliques – stabilisateurs et pivot -
Comme déjà mentionné auparavant, le véhicule articulé va porter sur la partie arrière de son
châssis la plate-forme élévatrice posée sur un pivot, Ce dernier sera guidé par un circuit
hydraulique, il sera muni aussi par deux stabilisateurs hydrauliques. Ces composantes
hydrauliques seront alimentées par la même pompe de la plate-forme à ciseaux.
La figure 3-13 résume le circuit final qui sera utilisé pour lever ou abaisser la plateforme à
ciseaux, le système de pivotement et les stabilisateurs ainsi que leur raccordement entre eux.
Figure 3- 14: Circuit hydraulique finale.
1
2
3
4
é
.
é
é
.
é.
.
KROUMIL Zineb
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PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
5
6
7
8
é .
é
.
.
.
Les stabilisateurs et les vérins du pivot seront actionnés indépendant avec des valves manuelles
qui permet à l’opérateur de varier la vitesse de sortie de la tige des vérins, ainsi la vitesse
d’inclinaison et de stabilisation. Par contre le circuit hydraulique de la plate-forme élévatrice
sera actionné par une valve à commande électrique qui permet à l’opérateur d’ajuster la plateforme à la hauteur désirée.
KROUMIL Zineb
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CHAPITRE 5 : SANTÉ ET SÉCURITÉ – ÉTUDE DES COÛTS
DE LA SOLUTION FINALE
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PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
Le présent chapitre commence par une présentation des aspects spécifiques à la protection au
travail : risques, normes et dispositifs de protection lors de la fabrication des concepts étudiés.
Suite par une estimation des coûts totaux des solutions retenues.
5.1. Santé et Sécurité
Accès Industriel utilise plusieurs techniques visant l’obtention des pièces nécessaires pour la
fabrication des concepts désirées, tels que les procédés de soudage, pliage et le coupage. La
plupart de ces opérations ne sont pas nécessairement risquées. Cependant, elles impliquent
certains procédés qui peuvent conduire à des accidents ou à des blessures personnelles si les
employés n’en tiennent pas compte. Ils doivent prendre certaines précautions pour se protéger,
eux et ses compagnons, ainsi que tout l’équipement mis à leur disposition.
On divise généralement les mesures de sécurité en deux groupes majeurs : la sécurité
personnelle et la sécurité de l’équipement. Dans ce chapitre, les deux types de règle de sécurité
ont été traités.
a. Mesures de prévention spécifiques pour la plate-forme élévatrice
ƒ
Les plates-formes de travail élévatrices doivent être conformes aux normes qui suivent :
ß
Plates-formes de travail élévatrice pour utilisation sur des surfaces non
compactées CAN3-B354.3-M82;
ß
Plates-formes de travail élévatrices pour utilisation sur les surfaces asphaltées ou
constituées de dalles CAN3-B354.2-M82.
ƒ
Chaque plate-forme doit afficher bien en évidence une plaque d’identification du
fabricant qui indique clairement la marque, le modèle, le numéro de série, le nom et
l’adresse du fabricant.
ƒ
De plus, chaque poste de commande d’une plate-forme doit afficher bien en vue du
conducteur les indications concernant entre autres :
ß
La charge nominale de l’appareil;
ß
Le type d’appareil, à savoir pour quel genre de surface il convient;
ß
La hauteur maximale;
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PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
ß
La portée horizontale maximale;
ß
La hauteur maximale de déplacement;
ß
La capacité nominale de chaque agencement possible de la plate-forme en
position du service, à l’aide d’un tableau schématique ou d’une échelle de
mesure;
ß
Toutes les informations nécessaires aux manœuvres de l’appareil avec une note
de renvoi au manuel d’instruction;
ß
Les précautions et restrictions particulières notamment pour l’usage des
stabilisateurs;
ß
ƒ
Tous les symboles de dangers et les notions de sécurité.
Aucune modification ne doit être effectuée sans une attestation signée et scellée d’un
ingénieur indiquant que cette modification offre une sécurité équivalente à celle de
l’appareil à l’état neuf.
ƒ
Des avis de danger doivent indiquer clairement les parties mobiles et articulées des
plates-formes.
b. Mesures de sécurité lors de la fabrication:
ƒ
Pliage : L’employé doit :
ß
surveiller la position des mains pour éviter le risque d’écrasement des doigts.
ß
Être attentif à son travail.
ß
S’assurer que personne ne se trouve à proximité du contrepoids (Danger) pour
éviter le risque d’un choc mécanique.
ƒ
Soudage : Lorsque les employés commencent le soudage, il faut :
ß
porter les vêtements de sécurité appropriés. Ces vêtements doivent être faits de
matière ignifuge en gros coton ou en cuir (gants résistants à la chaleur, des
lunettes de soudeur, des chaussures ou des bottes de sécurité)
ß
Porter l’équipement de protection individuelle approprié Ne jamais laisser de la
graisse ou de l’huile en contact avec l’oxygène sous pression.
KROUMIL Zineb
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PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
ß
Avoir toujours les mains et les gants exempts d’huile ou de graisse. (L’huile et la
graisse brulent rapidement au contact de l’oxygène sous pression.)
ß
Ne jamais utiliser d’équipement défectueux.
ß
Vérifier s’il y a quelque matière inflammable dans le lieu de travail. Aucune ne
doit s’y trouver. Pour se protéger contre le feu.
ß
Ne pas ouvrir rapidement une bouteille d’acétylène prés d’une flamme vive et
d’étincelles.
5.1. Estimation des coûts
Le prix de l’acier utilisé dans l’analyse du coût a été fourni par l’entreprise Accès Industriel
estimé par 0.65$/lb, et les prix des composantes hydrauliques utilisées sont obtenus à partir des
soumissions fournis par l’entreprise Géliko, le fournisseur des composantes hydrauliques
d’Accès Industriel (Annexe F). Pour les autres pièces mécaniques utilisées dans l’articulation,
les coûts ont été estimés à partir des catalogues disponibles dans les sites web.
a. Estimation du coût total de la plate-forme élévatrice à ciseaux :
Le tableau suivant présente les pièces, leur poids, la quantité des composantes du circuit
hydraulique et leur coût total de la fabrication de la plate-forme élévatrice à ciseaux.
Les coûts unitaires des composantes du circuit hydraulique ont été obtenus suite à la demande
de soumissions des fournisseurs d’accès Industriel.
Tableau 9 : Estimation des coûts de fabrication des pièces de la plate-forme élévatrice.
Matériels
Poids totale
total
Tubes rectangulaires
419.52
273 $
Tiges
107.42
70 $
Tubes circulaires
96.64
61 $
Glissières
84.6
55 $
Supports
17
11 $
Rotules
168
110 $
plaques pliés de la plate-forme
490
319 $
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la base
132
86 $
Roues en acier
36.9
24 $
Tableau 10 : Estimation des coûts des composantes hydraulique de la plate-forme à ciseaux.
Composantes hydrauliques
Quantité requise
Total
Vérins de 32 po du cylindre
2
700.68 $
Distributeur (valve électrique)
1
174.64 $
Unité de puissance (Pompe, Réservoir,
-
508 $
Clapet de retenue piloté
2
194.64 $
Limiteur de débit
4
196.76 $
Limiteur de pression)
Temps totale de la fabrication : 100 h
-
Coût de M.O : 19 $/h
1900 $
Sous totale
4685 $
Imprévu (30 % budget initial)
1405 $
Total
6090 $
b. Estimation du coût total de l’articulation :
Le tableau suivant présente les pièces, leur poids, la quantité des composantes du circuit
hydraulique et leur coût total de la fabrication de l’articulation.
Les coûts unitaires des composantes du circuit hydraulique ont été obtenus suite à la demande
de soumissions des fournisseurs d’accès Industriel.
Tableau 11 : Estimation des coûts de fabrication des pièces de l’articulation.
Matériels
Prix unitaire
total
Pièces usinés de l’articulation
60 $/h
805 $
6 roulements
70 $ /chaq.
473 $
Plaques pliées ¾ ép.
0.65 $ /lb
242 $
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Plaques pliées 3/8 ép.
0.65 $/lb
105 $
Écrous
5$
17 $
Pièces diverses
-
50 $
3 Arbre de transmission –driveshaft-
200 $/chaq.
675 $
2 Slip yoke
300 $/chaq.
675 $
5 joints
21 $/chaq.
119 $
3 supports l’arbre de transmission
166 $/chaq.
561 $
Tableau 12 : Estimation des coûts des composantes hydraulique de l’articulation.
Composantes hydrauliques
Quantité requise
Total
Vérins
2
563 $
Distributeur
1
175 $
Unité de puissance (Pompe, Réservoir,
-
508 $
Clapet de retenue piloté
2
195 $
Limiteur de débit
4
197 $
Limiteur de pression)
Temps totale de la fabrication : 100 h
-
Coût de M.O : 19 $/h
1900 $
Sous totale
7260$
Imprévu (30 % budget initial)
2178 $
Total
9438 $
Le coût de fabrication de l’articulation estimée par 9438 $ et ce qui est de la plate-forme estimé
par 6090 $. Ces estimations sont basées sur une étude des coûts arrondie à la hausse. Il est fort
probable que le prix réel soit révisé à la baisse si une éventuelle étude rigoureuse est effectuée.
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Pour plus d’informations sur les prix des composantes hydrauliques et les roulements, des
soumissions des prix sont disponibles en annexe H.
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CONCLUSION
Ce projet avait comme mandat de modifier un véhicule Toyota Land Cruiser conçu
spécialement pour les mines, en ajoutant un mécanisme d’articulation de son châssis pour
faciliter sa circulation. Ce châssis articulé va porter sur sa partie arrière un autre mécanisme de
levage, il s’agit d’une plate-forme élévatrice à ciseaux.
Pour se faire, une recherche sur les modèles existants des véhicules articulés et des platesformes a été effectuée afin de s’inspirer pour modéliser des nouveaux concepts. Ces derniers
qui vont être présenté sous forme de deux solutions pour l’articulation et deux autres pour la
plate-forme élévatrice à ciseaux.
Finalement une solution pour chaque mécanisme a été choisie par le client suite à ses avantages
et sa facilité de la fabriquer. Elles s’agissaient d’une articulation avec un arbre de transmission
guidé et articulé et une plate-forme avec des roues en acier. Une étude approfondie sur les deux
solutions a été réalisée afin de les développer et les dimensionner, suivie par une analyse de
coût pour l’ensemble de la solution finale.
Ce projet a été une expérience très enrichissante non seulement sur le plan personnel mais aussi
sur le plan technique qui a permis de découvrir des méthodes utilisées en pratique.
En outre, l’accomplissement de ce travail a été une occasion pour améliorer des connaissances
techniques dans le domaine hydraulique, des résistances de matériau, et l’utilisation de certains
logiciels industriels tels qu’Automation Studio, SolidWorks et Ansys.
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RECOMMANDATIONS :
Après l’étude approfondie effectuée pour résoudre les problématiques citées précédemment qui
consiste en conception des modifications du véhicule TOYOTA LAND CRUISER, pour
l’entreprise Accès Industriel, les recommandations suivantes ont été élaborées :
•
Faire une étude de flambement sur la structure de la plate-forme à ciseaux : cette étude
sera nécessaire selon la norme CAN/CSA-B354.1-04, pour compléter l’ensemble des
études qui doivent être appliquées sur la plate-forme afin de la certifier.
•
Optimiser le circuit hydraulique final du système de levage, stabilisateurs et du pivot :
cette optimisation consiste à introduire des nouvelles composantes hydrauliques plus
modernes, éliminer la répétition des composantes et modifier les raccordements.
•
Étudier le circuit hydraulique de l’articulation qui va être intégrée dans le système de
direction du véhicule.
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RÉFÉRENCES ET BIBLIOGRAPHIES
Ouvrage :
1. Réjean Labonville, Conception des circuits hydrauliques, Éditions de l’école
Polytechnique de Montréal.
2. BAZERGUI André, THANG Bui-Quoc, Biron André, Georges Mclntyre,
Charles
Laberge, Résistance des matériaux, troisième édition, école polytechnique de Montréal.
3. NORME NATIONALE DE CANADA des plates-formes de
travail élévatrice
(approuvée en février 2003), fournis par Accès Industriel.
4. BEDFORD FOWLER, EUGENE L. DAVIS, Statics Engineering Mechanics,
INSTRUCTOR’S SOLUTIONS MANUAL.
5. Cours Santé et sécurité générale sur les chantiers de construction, Association paritaire
pour la santé et la sécurité du travail du secteur de la construction, cinquième édition.
Sites Web :
6. http://www.acces-industriel.ca/
7. http://www.industriecommerce.com/entreprises.php?id_parution=81&id_entreprise=42
007&page=10
8. http://fr.wikipedia.org/wiki/Crit%C3%A8re_de_plasticit%C3%A9#Crit.C3.A8re_de_vo
n_Mises
9. http://en.wikipedia.org/wiki/Power_steering
10. www.filtercouncil.org/uploads///docs/TSB/French/96-1F.pdf
11. http://en.wikipedia.org/wiki/Toyota_Land_Cruiser
12. http://rds.lespac.com/detail/outils-materiaux/Equipementsprofessionnels/tout/rouville/marieville/8509953/plate-forme-a-ciseaux--up-right-tiger24.html
13. www.rema.nl/catalogus/rema_cat_fr_1562.pdf
14. www.kiloutou.fr/filer/Upload/Materiel/Fiche_conseil/cam20m.pdf
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Annexe A : Programme Matlab pour le calcul statique
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clear all
clc
x = input('Entrez la valeur du poids de panier: ');
P = x/2;
y = input('Entrez la valeur de la charge que doit lever la plateforme: ');
W = y/(2*65.6875);
Y = solve('ay+b-P-W*65.6875 = 0','b*46-P*32.875-W*65.6875*32.875=0','jy+k-PW*65.6875=0','k*46-P*32.875-W*65.6875*32.875=0','ay','b','jy','k');
Ay = eval(Y.ay)
B = eval(Y.b)
Jy = eval(Y.jy)
K = eval(Y.k)
X = solve('iy+hy+my-Jy=0','ix*22.34375+mx*10.125+iy*23+my*7.6875Jy*46=0','hx+fx-dx=0','dy+fy-hy=0','fy*23-fx*22.34375-hx*44.6875hy*46=0','dx-lx+cx=0','dy+ly-cy-B=0','ly*8.8125+lx*8.125-cx*22.34375-cy*23B*46=0','lx-mx=0','ly-my=0','mx*62.9375-my*29.5=0','gx-ix=0','ex-fxgx=0','ey-gy-fy=0','fx*22.34375+fy*23+gx*44.6875+gy*46=0','cx+ex=0','cy+eyAy=0','cy*23-cx*22.34375Ay*46=0','cx','cy','dx','dy','ex','ey','fx','fy','gx','gy','hx','hy','ix','i
y','lx','ly','mx','my');
% Les réactions suivant x et y:
Cx = eval(X.cx)
Cy = eval(X.cy)
Ix = eval(X.ix)
Iy = eval(X.iy)
Fx = eval(X.fx)
Fy = eval(X.fy)
Mx = eval(X.mx)
My = eval(X.my)
Hx = eval(X.hx)
Hy = eval(X.hy)
Dx = eval(X.dx)
Dy = eval(X.dy)
Gx = eval(X.gx)
Gy = eval(X.gy)
Lx = eval(X.lx)
Ly = eval(X.ly)
Ex = eval(X.ex)
Ey = eval(X.ey)
% La force résultante dans chaque liaison:
M = sqrt(Mx^2+My^2)
L = sqrt(Lx^2+Ly^2)
G = sqrt(Gx^2+Gy^2)
I = sqrt(Ix^2+Iy^2)
F = sqrt(Fx^2+Fy^2)
H = sqrt(Hx^2+Hy^2)
D = sqrt(Dx^2+Dy^2)
E = sqrt(Ex^2+Ey^2)
C = sqrt(Cx^2+Cy^2)
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Annexe B : Résultats de simulation de la plate-forme
élévatrice à ciseaux sur Ansys
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La base :
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PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
Section 1 (en bas)
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Section 2 (au milieu) :
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PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
Section 3 (en haut)
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La plate-forme :
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Annexe C : Résultats de la simulation de l’articulation
sur Ansys
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Annexe D : Programme Matlab pour le calcul des
paramètres du circuit hydraulique
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Clc
% Programme du circuit hydraulique %
% % données supplémentaires:
F = input( 'Entrez la force de poussé du vérin: ');
Dp = input( 'Entrez le diamétre du piston: ');
Dt = input( 'Entrez le diamétre de la tige du vérin: ');
d = input( 'Entrez la course du cylindre: ');
tl = input( 'Entrez le temps de levage: ');
td = input( 'Entrez le temps de descendre: ');
L = input ('Entrez la longueur de la levage du plateforme: ')
% Distributeur en position à vois parallèles :
% % L’aire effective de la base du piston :
Ap = pi * (Dp^2)/ 4
% % L’aire effective de la base de la tige :
At = pi * (Dt^2) / 4
% % vitesse de la sortie de la tige:
v01 = d / tl
% % Débit à l’admission :
Qiv = Ap*v01
% % Débit du refoulement :
Qov = (Ap-At) * v01
%
Distributeur en position à vois croisées :
% %
v02
% %
Qiv
% %
Qov
vitesse de la descente du vérin:
= d / td
Débit à l’admission :
= (Ap-At)*v02
Débit du refoulement :
= Ap * v02
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Annexe E :JLG scissor
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Annexe F:Pompe hydraulique choisie – CHV
HYDRAULIQUE.
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PFE – Conception des modifications du véhicule de mine «Toyota Land Cruiser»
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Annexe H : Soumissions fournis par GÉLIKO.
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Annexe I : Dessin détaillé de l’articulation.
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Annexe H : Dessin détaillé de la plate-forme à ciseaux.
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