Étude de conception d'un banc d'essai pour foreuse à ... - Bibliothèque

MODULE DES SCIENCES APPLIQUÉESÉtude de conception d’un banc d’essai pour foreuse àbéquillePROJET D’ÉTUDE EN INGÉNIERIE DANS LE CADRE DU PROGRAMME DEBACCALAURÉAT EN GÉNIE ÉLECTROMÉCANIQUEPrésenté par :Zouhair Britel, étudiant 4 e année, Génie ÉlectromécaniqueAmine Berrada, étudiant 4 e année, Génie ÉlectromécaniqueSuperviseur :Mohamad Saad, ing., Ph.D., Professeur, UQATReprésentant industriel :Gilles LeBlanc, ing.Hiver 2010

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleRemerciementsNous tenons à remercier tout d’abord notre professeur superviseur à l’Université, soitM. Mohamad Saad pour son soutien et ses conseils pertinents au cours de la réalisation de ceprojet.Nos remerciements vont également à M. Gilles LeBlanc, représentant industriel et ingénieur enmécanique à la Mine-laboratoire LMSM-CANMET à Val-D’or, pour le temps qu’il nous aconsacré ainsi que pour les droits d’accès illimités au site minier.Nous adressons aussi nos plus sincères remerciements à toute personne ayant aidé de proche oude loin à la réalisation et à l’avancement de ce projet :‣ M. Walid Ghie, professeur à l’UQAT.‣ M. Mouad Safouh, ing. jr., Acier JP.‣ M. Élie P. Desjardins, ing. Support Électro-Hydraulique à KINECOR Inc.Enfin, nous tenons à remercier vivement M. Joseph Ishac, professeur au Cégep, et chargé decours à l’Université pour avoir accepté de présider notre jury de présentation, sans oublier tout lecorps professoral du département de génie qui a rendu la réalisation de ce projet possible grâceaux connaissances qu’ils nous ont transmis.Zouhair Britel Hiver 2010 iiAmine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleRésuméLa Mine-laboratoire LMSM-CANMET située à Val-D’or, est une mine de recherche qui répondaux besoins accrus en recherche appliquée, exprimés par l’industrie minière en divers endroits auCanada. Cette mine offre toute une gamme de services pour les compagnies qui désirent se servirde ses installations afin de mettre à l’essai des équipements ou de former du personnel. C’estdans cet aspect que le mandat d’apporter des améliorations sur la conception d’un banc d’essaipour foreuse à béquille nous a été confié.La principale tâche était de concevoir un banc d’essai plus versatile et plus ergonomique quecelui déjà installé dans le laboratoire de mine. Ce dernier devait être équipé d’un système decontre charge qui permet d’appliquer un couple résistant de 0 à 400 Nm sur la tige de forage,simulant ainsi un forage dans des conditions réelles. Des capteurs ont été sélectionnés dans le butde caractériser les indices de performance de la foreuse. Le choix des capteurs s’est fait pour lapression, le débit, la température, la force de poussée de la béquille et la vitesse de rotation de latige de forage.Suite aux propositions soumises à l’entreprise et après plusieurs réunions de brainstorming, cefût en collaboration avec M. Gilles LeBlanc, responsable du projet à la Mine-laboratoire, que lasolution finale a été prise. Cette solution consiste en une pompe hydraulique avec transmissionde puissance de type chaine-poulie.Nous avons fait une estimation de coût pour la réalisation de cette installation, ainsi qu’une étudeet une analyse économique.Zouhair Britel Hiver 2010 iiiAmine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleAbstractThe Experimental Mine LMSM-CANMET located in Val-d'Or is a mine research that meets theincreased needs in applied research, expressed by the mining industry in various locations acrossCanada. The mine provides a range of services for companies wishing to use its facilities to testequipment or training staff. With this in mind, he has been mandated to make improvements onthe design of a test bed for drill stand.The main task was to design a test bench more versatile and more ergonomic than the onealready installed in the laboratory of mine. The latter should be equipped with a load of conswho can apply a load torque from 0 to 400 Nm on the drill, simulating by the way real condition.Sensors have been selected in order to characterize the performance indices of the drill. Thechoice of sensors was made for pressure, flow, temperature, and pushed force of the prop and thespeed of rotation of the drill pipe. Following the proposals submitted to the company and afterseveral brainstorming sessions, it was in collaboration with project manager, Gilles LeBlanc, atthe experimental mine that the final solution was reached. This solution consists of a hydraulicpump with power transmission chain-type pulley.We have made an estimation of the cost for the completion of this facility, and a study andeconomic analysis.Zouhair Britel Hiver 2010 ivAmine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleTable des matièresIntroduction……………………………………………………………………………………………………….1CHAPITRE 1 : L’entreprise et la problématique ........................................................................ 21.1 Présentation de l’entreprise ............................................................................................... 21.2 Description du procédé ..................................................................................................... 31.2.1 Bloc de béton ............................................................................................................. 41.2.2 Dissipateur d’énergie ................................................................................................. 51.2.3 Palier avec roulement à billes .................................................................................... 51.2.4 Unité d’air comprimé................................................................................................. 51.2.5 Foreuse pneumatique de type SECAN S 250 ............................................................ 61.3 Protocole d’essai normalisé .............................................................................................. 81.4 Objectifs et mandat du projet ............................................................................................ 91.1.1 Objectifs .................................................................................................................... 91.1.2 Description de mandat ............................................................................................... 9CHAPITRE 2 : La recherche de solutions ................................................................................. 112.1 Les contraintes générales ................................................................................................ 112.2 Concept du mécanisme de contre-charge ....................................................................... 112.2.1 Solution N° 1 : Limiteur de couple .......................................................................... 112.2.2 Solution N° 2 : Moteur électrique avec transmission de puissance ......................... 122.2.3 Solution N°3 : Pompe hydraulique avec transmission de puissance ....................... 142.2.4 Comparaison des solutions ...................................................................................... 142.2.5 Matrice de décision .................................................................................................. 152.2.6 Choix de la solution finale ....................................................................................... 172.3 Choix des capteurs .......................................................................................................... 182.3.1 Présentation des capteurs ......................................................................................... 182.3.2 Entrée de la foreuse ................................................................................................. 182.3.3 Capteur de pression ................................................................................................. 192.3.4 Capteur de débit ....................................................................................................... 201.1.3 Capteur d’humidité .................................................................................................. 222.3.5 Capteur de force....................................................................................................... 222.3.6 Capteur de vitesse .................................................................................................... 23CHAPITRE 3 : Développement et conception de la solution finale ......................................... 25Zouhair Britel Hiver 2010 vAmine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquille3.1 Description de la solution finale ..................................................................................... 253.2 Processus de conception ................................................................................................. 263.2.1 Théorie et calcul propre aux choix d’une pompe .................................................... 263.2.2 Choix du multiplicateur de vitesse .......................................................................... 333.2.3 Transmission de puissance par chaîne ..................................................................... 333.2.4 Mécanisme anti-percussion ..................................................................................... 373.3 Installation des capteurs .................................................................................................. 403.3.1 Étalonnage du capteur de pression .......................................................................... 403.3.2 Installation du capteur de débit ................................................................................ 413.3.3 Installation du capteur de force ............................................................................... 453.3.4 Installation du capteur de vitesse de rotation .......................................................... 46CHAPITRE 4 : Santé et sécurité au travail ................................................................................ 484.1 Obligation de l’employeur .............................................................................................. 484.2 Équipements de protection individuels ........................................................................... 484.3 Précautions de descente dans les mines .......................................................................... 494.4 Précautions pour les transmissions par chaîne ................................................................ 50CHAPITRE 5 : Analyse économique ........................................................................................ 525.1 Coût des composants de la solution finale .......................................................................... 52Recommandation………………………………………………………………………………………………56Conclusion………………………………………………………………………………………………………57Annexe A « Pompe hydraulique » …………………………………………….…………………………60Annexe B « Capteurs » ………………………………………………………………………………………101Annexe C « Transmission par chaîne » ……………………………………………………..………..…113Annexe D « Étude des forces » ……………………………………………………………………………118Annexe E « Soumission » ……………………………………………………………………………….…121Annexe F « Analyse économique » ………………………………………………………………………127Annexe G « Dessins » ………………………………………………………………………………………...131Zouhair Britel Hiver 2010 viAmine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleListe des figuresFigure 1.1 : Atelier de fabrication et d’entretien d’équipements miniers [1]............................ 2Figure 1.2 : Coupe transversale de la mine souterraine [1]....................................................... 3Figure 1.3 : Photo de la foreuse à béquille couplée au banc d’essai [2].................................... 3Figure 1.4 : Schéma global du banc d'essai ............................................................................... 4Figure 1.5 : Schéma technique du dissipateur d'énergie à billes [2] ......................................... 5Figure 1.6 : Unité d’air comprimé ............................................................................................. 5Figure 1.7 : Foreuse pneumatique de type Secam S250 en situation de forage [2]................... 6Figure 1.8 : Tige de forage avec trou de passage d’eau ........................................................... 7Figure 1.9 : Poignée anti vibratile [2]........................................................................................ 7Figure 1.10 : Lubrificateur PHQ 5048912 [3]........................................................................... 8Figure 2.1 : Limiteur de couple installé sur la foreuse ............................................................ 12Figure 2.2 : Limiteur de couple avec levier de réglage [4]...................................................... 12Figure 2.3 : Architecture du banc d'essai actionné avec le moteur électrique ......................... 13Figure 2.4 : Architecture du banc d'essai avec la pompe hydraulique .................................... 14Figure 2.5: Photo de la conduite d'air comprimé ..................................................................... 18Figure 3.1 : Dessin final du banc d'essai ................................................................................. 25Figure 3.2 : Schéma du circuit hydraulique ............................................................................. 27Figure 3.3 : Couple résistant fournit par la pompe en fonction de la pression ........................ 32Figure 3.4 : Image du multiplicateur HÉCOGEAR [10]......................................................... 33Figure 3.5 : Paramètres du système de transmission par chaîne ............................................. 34Figure 3.6 : Système anti-vibration ......................................................................................... 37Figure 3.7 : Douille anti-percussion ........................................................................................ 38Figure 3.8 : Déformation maximale de la douille .................................................................... 39Figure 3.9 : Capteur de pression installé dans l'atelier ............................................................ 40Figure 3.10 : Caractéristiques de la conduite N°1 ................................................................... 42Figure 3.11 : Cellule de charge "Omega" [8] .......................................................................... 45Figure 3.12 : Support du capteur de force ............................................................................... 46Figure 4.1 : Installation protecteur fixe sur le banc d’essai ..................................................... 50Figure 4.2 : Protecteur fixe à ouvertures pour chaînes ............................................................ 50Zouhair Britel Hiver 2010 viiAmine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleListe des tableauxTableau 2.1 : Comparaison des solutions proposées ............................................................... 14Tableau 2.2 : Critères d’évaluation à considérer ..................................................................... 15Tableau 2.3 : Matrice de décision ............................................................................................ 16Tableau 2.4 : Comparaison des types de transmission de puissance ....................................... 17Tableau 2.5 : Types de capteurs à installer .............................................................................. 18Tableau 2.6 : Caractéristiques du capteur de pression PMP71 [5].......................................... 19Tableau 2.7 : Guide de sélection des débitmètres [A]............................................................. 20Tableau 2.8 : Comparaison de choix du débitmètre [5] , [6]................................................... 21Tableau 2.9 : Caractéristiques du capteur d’humidité [7] ....................................................... 22Tableau 2.10 : Comparaison des capteurs de force proposés [8] ............................................ 23Tableau 2.11 : Comparaison des capteurs de vitesse de rotation ............................................ 24Tableau 3.1 : Caractéristiques de la pompe Vickers PVM018 ............................................... 31Tableau 3.3 : Caractéristiques de la chaîne ............................................................................. 36Tableau 3.5 : Étude du transmetteur de pression PMP 71 ....................................................... 41Zouhair Britel Hiver 2010 viiiAmine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleIntroductionDans le cadre du baccalauréat en génie électromécanique, nous avons à travailler avec uneentreprise en région, afin de les aider à résoudre une problématique particulière.Depuis environ cinq décennies, l’Abitibi-Témiscaminque ne cesse de se spécialiser dansl’exploitation minière. Plusieurs entreprises ont contribué à cette spécialisation, dont la MinelaboratoireLMSM-CANMET située à Val-D’or, qui offre son expertise dans ce domaine à touteentreprise désireuse de faire l’essai de son équipement minier, ou de former son personnel. LaMine-laboratoire est située au 1 chemin Peter Ferderber à Val-D’or.Dans le cadre des services que la mine offre à sa vaste clientèle, et dans le but d’améliorer sesrésultats, il nous a été confié le mandat de faire une conception d’un banc d’essai pour foreusepneumatique. Cette conception va permettre à la mine de caractériser les indices de performancede la foreuse afin d’offrir plus de services à sa vaste clientèle ainsi qu’améliorer lefonctionnement de leurs installations.Finalement, c’est dans un souci d’amélioration continue des méthodes de travail et de laproductivité que la conception du banc d’essai est le mandat spécifique de ce projet.Le travail sera donc divisé en cinq chapitres, qui permettent de présenter un portrait del’entreprise et la problématique, le processus de recherche de solution, le développement et laconception de la solution finale, la santé et sécurité au travail et enfin l’analyse économique pourconnaître le degré de rentabilité du projet.Zouhair Britel Hiver 2010 1Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleCHAPITRE 1 :L’entreprise et la problématique1.1 Présentation de l’entrepriseLa MINE-LABORTOIRE DES LMSM-CANMET située à Val d’or a été mise en place en 1991pour répondre aux besoins en recherche appliquée de l’industrie minière Canadienne. La mineoffre à l’industrie minière toute une gamme de services reliés aux essais et à la recherche dansun environnement minier fidèle à la réalité puisqu’il est en fait l’ancienne mine d’or Beacon.Le but premier du laboratoire de recherche est d’améliorer l’aspect santé et sécurité dans lesopérations minières souterraines, faciliter la mécanisation, l’automatisation, et améliorer laprofitabilité des mines ainsi que d’aider les compagnies nécessitantes une expertise à exécuterpour des recherches et des essais miniers.Le site a son propre personnel spécialisé en génie mécanique, minier, électrique, informatique etélectronique, et possède tous les équipements miniers nécessaires à la recherche, ainsi que desinstallations de surface soient des bureaux, des laboratoires et des ateliers (figure 1.1).Figure 1.1 : Atelier de fabrication et d’entretien d’équipements miniers [1]Un site d'essai souterrain en roche dure unique en son genre est accessible sur le site comportantune rampe d'accès et cinq niveaux souterrains (40m, 50m, 70m, 110m et 130m) (figure 1.2). Plusde 2 500 mètres de galeries d'allongement se trouvent dans la mine ainsi que des ouverturessecondaires et des ateliers chambres-magasins [1]Zouhair Britel Hiver 2010 2Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleFigure 1.2 : Coupe transversale de la mine souterraine [1]1.2 Description du procédéEn 1994, les scientifiques et le personnel de la Mine-laboratoire de CANMET ont relevé le défi,en collaboration avec un fabricant d'équipements et d'industrie minière, de produire une nouvelleforeuse actionnée à l'eau, qui soit plus efficace, qui améliore les conditions de santé et la sécuritédes travailleurs et qui répond mieux aux besoins de l'exploitation minière dans le nordd’Amérique [2].En 2003, un banc d’essai pour foreuses à béquille a été mis au point à la Mine laboratoireCANMET en collaboration avec l’Université de Sherbrooke. Ce dernier vise à caractériserl’efficacité d’atténuation des vibrations ainsi que les performances des poignées anti-vibratilesdes foreuses pneumatiques à béquille dans des conditions contrôlées (figure 1.3).Bague de liaisonPalier à roulement à billesBloc de bétonFigure 1.3 : Photo de la foreuse à béquille couplée au banc d’essai [2]Ce banc d’essai est une alternative très intéressante pour les essais de forage souterrain. Commele montre la figure 1.3, le banc d’essai est composé de :Zouhair Britel Hiver 2010 3Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquille Un bloc de béton Un dissipateur d’énergie Un roulement à billesCe banc d’essai est conçu pour les tous types de foreuses à béquille telles que les foreusespneumatiques, électriques et hydrauliques. Dans le cas de notre projet, nous allons étudier lecomportement de la foreuse pneumatique à béquille entrainée par une unité d’air comprimé.L’instrument de forage est une foreuse de type SECAN S 250 alimentée avec de l’air comprimé,et dont les composants sont (figure 1.4) :- Une béquille- Une tige de forage- Une poignée anti-vibratile- Un lubrificateur1.2.1 Bloc de bétonLe bloc de béton est une unité statique ayant un poids de 3300 kg et dont les dimensions sont116,76 cm×101,6 cm ×121,92 cm (44 po×40 po×48 po) avec une résistance à la compression de20 MPa (figure 1.4). Le bloc sert à fixer le dissipateur d’énergie à l’aide de fixations en acier etaussi pour éviter tout déplacement du banc d’essai dû à la poussée de la foreuse ou autres.Dissipateur d’énergie Roulement à Foreuse PoignéebillesOpérateurTige de forageBloc de bétonBéquillePlate forme de chargeFaux de plancherSupport debéquilleFigure 1.4 : Schéma global du banc d'essaiZouhair Britel Hiver 2010 4Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquille1.2.2 Dissipateur d’énergieLe dissipateur est monté sur le bloc de béton. Il est spécialement conçu pour absorber les chocsdes foreuses à béquille pour un axe de percussion horizontal. La figure 1.5 illustre la conceptiondu dissipateur d’énergie.Figure 1.5 : Schéma technique du dissipateur d'énergie à billes [2]Les billes d’acier et les ressorts « Belleville » permettent de dissiper l’énergie de la foreuse, cequi permet de réfléchir vers la foreuse 15% à 20% de l’onde de choc initiale. Le dissipateurdispose d’un système de refroidissement à eau permettant d’évacuer la chaleur répondue par lesimpacts du marteau.1.2.3 Palier avec roulement à billesLe palier avec roulement à billes, tel qu’illustré dans la figure 1.3 permet de limiter lesdéplacements transversaux de la tige de forage simulant ainsi l’extrémité d’un trou de forage.1.2.4 Unité d’air compriméL’air comprimé servant à actionner la foreuse pneumatique est obtenu par un compresseur. Cetteunité fournit un débit de 28,3 m 3 /min soit 1000 pi 3 /min à une pression de 100 psi (figure 1.6).Figure 1.6 : Unité d’air compriméZouhair Britel Hiver 2010 5Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleLe lubrificateur PHQ 5048912 est utilisé pour lubrifier la foreuse à béquille (voir caractéristiquesen Annexe 1). L’huile hydraulique est mélangée directement avec l’air comprimé afin d’évitertoute usure des pièces de la foreuse (figure 1.10)Figure 1.10 : Lubrificateur PHQ 5048912 [3]1.3 Protocole d’essai normaliséEn se référant au banc d’essai présenté à la section précédente, le protocole de mesure proposépar le personnel du laboratoire CANMET, est constitué des étapes suivantes [2] :1) Avant les essais, faire fonctionner la foreuse pendant une minute pour la réchauffer et avoirune bonne lubrification des composantes.2) La pression d’air comprimé alimentant la foreuse doit être maintenue à la valeur prescrite parle constructeur, soit 90 psi.3) Pendant les mesures vibratoires, enregistrer les paramètres suivants :a. La pression d’alimentation de la foreuseb. La force de poussée exercée par l’opérateur sur la poignéec. L’angle de la béquille4) La force de poussée, exercée par l’opérateur, devrait être maintenue à 0 (± 5) Newton.5) L’angle de la béquille doit être de 25º (± 2º) et l’extension de la béquille doit être de 30 (± 10)cm plus courte que l’extension maximale.6) Les mesures d’accélération doivent être effectuées dans les 3 axes (z : percussion, y : latéral etx : vertical), avec une fréquence d’échantillonnage d’au moins 6400 Hz, et un filtre antirepliementayant une fréquence de coupure de (1/2,56)*(fréquence d’échantillonnage) oumoins (devant couvrir au minimum les bandes de tiers d’octave entre 6,3 et 1250 Hz).7) La fréquence de percussion doit être rapportée (disponible à partir du spectre d’accélération del’axe z).8) Des accéléromètres avec filtres mécaniques, ou tout autre accéléromètre n’ayant pas dedécalage DC (validation effectuée sans filtre mécanique pour l’accéléromètre triaxial PCBZouhair Britel Hiver 2010 8Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquille356B20) doivent être utilisés. L’accéléromètre doit être fixé sur la poignée selon lesdispositions de la norme ISO 5349 1 .9) Les vibrations doivent être pondérées selon les dispositions de la norme ISO 5349.10) Trois opérateurs expérimentaux doivent accomplir chacun une série de cinq essais avec lamachine à tester. Chaque essai devra avoir une durée minimale de 10 secondes. Une séried’essais est valide si le coefficient de variation (écart-type/moyenne) de la valeur d’émissionvibratoire de la série de cinq essais est inférieur à 0,15.1.4 Objectifs et mandat du projet1.1.1 ObjectifsLe principal objectif de la Mine-laboratoire CANMET est d’élargir le service d’essai etd’expérimentation des foreuses à béquille pour répondre aux besoins du marché actuel. Pour sefaire, il faut :• Avoir un banc d’essai opérationnel pour les foreuses manuelles à béquille de typepneumatiques, électriques et hydrauliques.• Ajouter un système de contre-charge afin de simuler un forage dans des conditions réellessous terre.• Instrumenter les foreuses avec des capteurs de débit, de pression et de température afind’évaluer leur performance (entrées/sorties).• Mesurer la force de poussée de la béquille.• Adapter les capteurs au système d’acquisition actuel.• L’installation sera faite au laboratoire de mine LMSM-CANMET.1.1.2 Description de mandatNotre mandat est de concevoir un banc d’essai plus versatile et plus ergonomique que celui déjàinstallé dans le laboratoire de mine. Ce banc d’essai doit inclure une procédure normalisée pourcaractériser les indices de performance, de débit, de pression et de température pour les foreusesà béquille dans des conditions contrôlées. Pour répondre aux exigences du laboratoire, nous1 ISO 5349 spécifie des exigences générales en matière de mesurage et de présentation de l'exposition aux vibrationstransmises par la main.Zouhair Britel Hiver 2010 9Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilledevons fournir tous les dessins détaillés du banc d’essai, après vérification des calculs, etsimulation des différentes contraintes sur les nouvelles pièces conçues. On devra aussi fournirl’emplacement et la méthode d’installation de tous les capteurs choisis.Ainsi, notre mandat est :• D’installer un mécanisme de contre charge, c'est-à-dire un mécanisme de résistancepermettant de générer un couple résistant, qui s’oppose au couple de la foreuse;• De mesurer la force de poussée à tout angle d’inclinaison de la béquille;• D’installer un bon nombre de capteurs à différents emplacements de la foreuse de sorte àmesurer les paramètres influençant l’énergie entrante et sortante de la foreuse;• De faire une étude de coûts.Zouhair Britel Hiver 2010 10Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleCHAPITRE 2 :La recherche de solutionsCe chapitre résume l’ensemble des étapes traitées pendant le processus de recherche de solutions.Son principal objectif est de faire ressortir un concept final pour le client.2.1 Les contraintes généralesLors de la recherche de solution valable, nous devons tenir compte des contraintes suivantes :- L’étude du banc d’essai va se faire sur la foreuse à béquille pneumatique de type SECANS-250 qui servira de modèle pour les autres types de foreuses.- Le mécanisme de contre charge doit tenir compte du mouvement de rotation et depercussion de la tige de forage.- Le choix d’un moteur hydraulique ou d’un système de contre charge est conditionné parune variation du couple entre 0 et 400 N.m, et d’une vitesse de rotation variante entre 0 et100 tr/min, de sorte à simuler les contraintes auxquelles la tige de forage fait face lors duforage.- La pointe de la béquille à un diamètre de 2,54 cm (1 po) et une longueur de 5,08 cm (2po) et son angle d’inclinaison ne doit pas dépasser 45°.- Conception d’un banc d’essai plus versatile et plus ergonomique comprenant toutes lesmodifications nécessaires pour réaliser le mandat.2.2 Concept du mécanisme de contre-chargeCe volet concerne le choix d’un mécanisme de contre charge adapté au besoin du client, àsavoir un mécanisme qui permettra de faire varier le couple exercé sur la tige de forage de 0 à400 N.m. Pour la réalisation de ce volet, on se basera, sur des systèmes déjà existants, telsque les perceuses manuelles de plus petit calibre appelées communément embrayage desécurité, ainsi que sur de nouvelles conceptions qui permettront de réaliser notre mandat.2.2.1 Solution N° 1 : Limiteur de coupleLe limiteur de couple assure la transmission du mouvement de rotation entre l’arbre moteur et lepignon à chaine, il protège des dommages occasionnés par les surcharges des composantsZouhair Britel Hiver 2010 11Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquillemécaniques des parties entrainantes et entrainées. Dans le cas de notre projet, le limiteur decouple sera installé directement sur la tête de la foreuse comme le montre la figure 2.1.Limiteur de coupleFigure 2.1 : Limiteur de couple installé sur la foreuseUne fois intégré au banc d’essai, le limiteur de couple servira à appliquer une charge sur la tigede forage tout en ajustant le couple résistant désiré grâce à un levier (figure 2.2) qui permet leglissement sur une plage de couple donné. Ce système est inspiré des perceuses à percussionmanuelles de plus petit calibre ou le choix du couple se fait manuellement dans une gammeallant de 0 à 900 Nm.L’ajustement de la plage du couple résistantLevier de réglageFigure 2.2 : Limiteur de couple avec levier de réglage [4]2.2.2 Solution N° 2 : Moteur électrique avec transmission de puissanceDans cette solution, un moteur électrique sera fixé sur le bloc béton et sera entraîné par la tige deforage (figure 2.2) à l’aide d’une transmission de puissance. Il a pour effet d’appliquer un couplerésistant qui s’oppose au couple fourni par la foreuse. Ce mode de fonctionnement est ditgénératrice dont la particularité est de transformer l’énergie cinétique due au couple appliqué parla tige de forage sur l’arbre du moteur en énergie électrique. Cette énergie se matérialise par uncourant qui devra être évacué et ceci à l’aide de plusieurs méthodes possibles. La méthode laplus utilisée et la plus raisonnable consiste à dissiper le courant électrique dans des résistances.Zouhair Britel Hiver 2010 12Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleCela contribuerait à dissiper l’énergie produite en pure perte. Pour éviter cela, d’autrestechniques de freinages électroniques sont possibles et sont plus précis dû au fonctionnement parles variateurs de vitesse où le courant est réinjecté dans le réseau. Tout dépend si la Minelaboratoire est intéressée par ce sujet.Il existe trois types de génératrices susceptibles de fonctionner selon notre besoin :- Génératrice à courant continu « Dynamo » ;- Génératrice asynchrone « Générateur » ;- Génératrice synchrone « Alternateur » ;La figure 2.3 montre le principe et le cycle de fonctionnement du système, reliant la tige deforage à la génératrice électrique en passant par les paramètres intégrants le processus.Tige de forageP uT mΩ mDissipateurKη rΩ rRRGénératrice/FreinForeuseVariateurde vitesse ouRésistancesP cΩ cT cJFigure 2.3 : Architecture du banc d'essai actionné avec le moteur électriqueLes composantes et les paramètres apparaissant sur le schéma de cette installation sont :RR : Roulement à billes;P u : Puissance fournie par la foreuse sur la tige de forage;T m : Couple utile sur la tige de forage;Ω m : Vitesse de rotation de la tige de forage;K : Rapport de réduction du réducteur (K= Ωr/Ωm);Ωr : Vitesse de rotation à la sortie du réducteur;η r : Rendement du réducteur (ηr = Pc/ Pu);Pc : Puissance demandée par la génératrice en W ou hp;Ωc : Vitesse de rotation de la génératrice en rad/s;Tc : Couple résistant de la génératrice en Nm;J : Moment d’inertie de la génératrice en Kg/m 2 ;Zouhair Britel Hiver 2010 13Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquille2.2.3 Solution N°3 : Pompe hydraulique avec transmission de puissanceDans cette solution, la pompe hydraulique sera actionnée par la rotation de la tige de forage quiremplacera le moteur électrique ou thermique conventionnel à ce type d’installation hydraulique.L’énergie générée par la foreuse permettra à la pompe de pomper le fluide hydraulique, et parconséquent créer une pression, qui sera contrôlée par un limiteur de pression. Ce dernier permetgrâce à une différence de pression de générer le couple résistant dont on a besoin, et qui pourravarier de 0 à 400 N.m. La figure 2.4 décrit le principe de fonctionnement de cette solutionhydraulique.Distributeur 2/2 NF à commandemanuelleLimiteur de pressionManomètreTransmissionpar chaine oupar courroieP eQpFigure 2.4 : Architecture du banc d'essai avec la pompe hydraulique2.2.4 Comparaison des solutionsLe tableau 2.1 permet de faire un portrait général des avantages et inconvénients de chacune dessolutions proposées précédemment. Chacune de ces solutions présente des avantages et desinconvénients qu’il soit possible de mettre en valeur ou de réduire l’impact selon le cas.Tableau 2.1 : Comparaison des solutions proposéesSolutions Avantage(s) Inconvénient (s)Solution N°1Limiteur de CoupleSolution N° 2 :Moteur électrique avec Aucun besoin d’énergie extérieur Montage simple Large gamme de couples Prix avantageux Ne demande pas d’espace Simplicité de régulation couplevitesse Robuste Ne résiste pas aux vibrations Surchauffe Sera installée directement avec laforeuse Demande un grand espace Prix relativement élevé pourl’utilisation demandéeZouhair Britel Hiver 2010 14Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleLa distribution de la pondération de chacun des attributs des matrices ne doit pas être faite à lalégère. Les étapes d’évaluation sont les suivantes : La somme de la pondération est de 100%; Une pondération moyenne est de 10%, par la suite selon l’importance relative, elle estajustée pour refléter la réalité; Les attributs de compacité et d’ergonomie ont été séparés et évalués séparément. Pourcertains projets, il est facile de les combiner en un seul attribut, mais ici en raison de lanature du projet, chacune a été pondérée séparément. Les priorités de la Mine laboratoire ont été fortement prises en compte et représentent lespourcentages (%) les plus élevés.Tableau 2.3 : Matrice de décisionAttributs Pondérations SolutionsN° 1 : Limiteur de couple N°2 : Moteur électrique N°3 : Pompe hydrauliqueSolidité 23 % 1 4 4Compacité 14 % 5 2 3Simplicité d’utilisation 7 % 2 3 4Durée de vie 10 % 1 5 5Niveau de Bruit 6 % 4 3 3Ergonomie 9 % 5 4 4Coût 14 % 5 3 4Appréciation du client 17 % 2 4 525 28 32Totale 100 % 58,00 71,00 81,40On constate que c’est la solution N°3 qui obtient le meilleur résultat. Par contre, il est intéressantde faire un sommaire des autres résultats. Bien que cette dernière ait obtenu la meilleure cote, lasolution N°2 performe bien en général, et les critères principaux de choix de la solution finalesont le coût de l’installation et l’appréciation du client. La solution N°1 a obtenu une côteinférieure due à son manque de solidité et sa durée de vie très limitée, et ceux à cause dumouvement de percussion de la foreuse qui perturbe son efficacité. Les attributs les plusimportants dans notre tableau de critères d’évaluation sont la solidité, la compacité, le coût etenfin l’appréciation du client.Zouhair Britel Hiver 2010 16Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquille2.3 Choix des capteursCe volet concerne principalement le choix des capteurs pour la mesure des paramètres à l’entréeet à la sortie de la foreuse. Nous allons proposer un certain nombre de choix de capteurs pourchaque paramètre, tout en respectant les plages de fonctionnement de chacun d’entre eux.2.3.1 Présentation des capteursDans le cas du projet, il est demandé d’installer des capteurs sur le banc d’essai pour mesurercertains paramètres influençant le fonctionnement de la foreuse. Le tableau qui suit inclut ce quel’installation doit comprendre :Tableau 2.5 : Types de capteurs à installerCapteurDébitTempératurePressionHumiditéForceVitesseMesurandeAir comprimé à l’entrée de la foreuseAir comprimé à l’entrée de la foreuseAir comprimé à l’entrée de la foreuseAir comprimé à l’entrée de la foreuse (facultatif)Force de poussée de la béquilleVitesse de l de forage2.3.2 Entrée de la foreuseLes capteurs permettant la mesure des paramètres à l’entrée de la foreuse devront être installéssur la conduite d’air comprimé montrée sur la figure 2.5.Conduite d’aircompriméLubrificateurFigure 2.5: Photo de la conduite d'air compriméZouhair Britel Hiver 2010 18Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleLes paramètres connus et qui permettent de faire le choix des capteurs adéquats pour la mesuredu débit, de pression, de température et d’humidité à l’entrée de la foreuse sont :- Pression du gaz : 0 à 90 psi- Température du gaz : 0 à 100°c- Taille de la conduite : 2,54 cm / 5 cm- Régime d’écoulement du gaz : Turbulent- Humidité : 0 à 100 %- La présence de poussières (provenant essentiellement de la corrosion du réseau ou ducraquage thermique de l’huile des compresseurs).2.3.3 Capteur de pressionLa mesure de pression des fluides intervient dans la détermination de nombreux paramètres dansles procédés industriels tels que le niveau et le débit ainsi que dans les boucles de régulationpneumatique et hydraulique.Le choix de capteur de pression a été déjà choisi, puisque le laboratoire s’est procuré untransmetteur de pression Cerabar de type S « PMP71 » d’Endress+Hauser. Il est toutefoisrecommandé de faire l’étude de ce capteur et l’adapter aux besoins du projet sans faireobstruction à d’autres choix de capteurs, en ce qui est des capteurs de débit, de température etd’humidité de l’air comprimé. Les caractéristiques de ce capteur sont présentées dans le tableausuivant :Tableau 2.6 : Caractéristiques du capteur de pression PMP71 [5]Capteur « PMP 71 »Caractéristiques• Mesure de pression absolue et relative dans les gaz• Gamme de mesure de -15 à 600 psi• Température de fonctionnement : - 40 à +125 °C• Tension d'alimentation : 11,5 à 30 VDC• Rangeabilité 100:1• Précision de référence à ±0,075 % de l'étendue de mesure régléeZouhair Britel Hiver 2010 19Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquille• Comparaison des propositions de débitmètresLa comparaison des débitmètres proposés est présentée dans le tableau suivant :Tableau 2.8 : Comparaison de choix du débitmètre [5] , [6]Débitmètre Image Domaine d’application Avantages(+) et Inconvenients (-)Prowirl 72 FProwirl 73 FFCI ST98- Mesure du débit volumétrique du gaz.- Gamme de température -200°c à 400°c- Palier de pression jusqu’à PN250/Class 1500.- Sortie,entrée : 4-20mA SIL HART+fréquence, 2 fils- Mesure du débit volumétrique compensé.- Capacité de mesure de 0,058 à 8,55 m 3 /min- Sonde de température RTD intégrée- Gamme de température, -200°..+400°c- Affichage, programmation : Doubleaffichage, boutons poussoirs, HART- Sortie, entrée : 4-20mA SIL, 2filsHART+fréquence- Mesure volumétrique compensée- Capacité de mesure jusqu’à 21,38 m 3 /min- Affichage de température- Gamme d’installation de 6mm à 51 mm- Gamme de température ; -18°C À 121°C- Calibré entre 50 à 165 psi- Rangeabilité : 100 : 1- Certifié ISO 9001- Sortie, entrée : 4 à 20 mA et 0-10Vdc+ Prix compétitif+ Mesure fiable de gaz (faible ou granddébit)+ Hautes résistances aux vibrations, chocsthermiques, produits chargés.+ Absence de maintenance, de dérive duzéro (étalonnage à vie).+ Préréglage des logiciels pour économiede temps et d’argent.- N’affiche pas de débit compensé+ Multivariable (débit- température)+ Sensibilité à faible débit+ Sensibilité à faible débit+ Grande dynamique de mesure+ Mesure fiable de gaz+ Facile à installer+ Ne nécessite pas de maintenance- Mesure du débit massique de gaz- Déconseillé pour les installations instableset en cas de vibrations importantes (au-delàsde 500 Hz)- Prix moyen+ Large gamme de mesure fiable de gaz+ Rapport qualité/prix très compétitif+ Sonde température intégrée+ Facile à installer+ Conçu pour les petites conduites+ Compensation en pression de gaz etvapeur surchauffée.- Demande de changer la tuyauterie pourl’installation.Deux capteurs ont tenu l’attention du client, et sont le «Prowirl 73 F» et le « FCI ST75 ». Laprincipale raison est qu’ils ont la particularité d’afficher le débit volumétrique ainsi que latempérature en même temps, ce qui contribuera à économiser l’achat d’un nouveauthermocouple. Le point qui très important à ajouter et qui peut affecter nos décisions est quenous ne connaissons pas le débit dans nos conduites d’air comprimé. Nous reviendrons à ce sujetau chapitre 3.Zouhair Britel Hiver 2010 21Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquille1.1.3 Capteur d’humiditéLe capteur d’humidité permet de mesurer la présence d’eau ou de vapeur d’eau dans l’air.Comme nous n’avons pas de données sur la quantité approximative d’humidité dans lesconduites, le capteur devra réaliser les mesures de 0 à 100 % d’humidité. Un capteur adéquatpour l’installation est le DewPro MMY30 de la compagnie Sensing & Inspection dont lescaractéristiques sont représentées dans le tableau qui suit :Tableau 2.9 : Caractéristiques du capteur d’humidité [7]Capteur Dew Pro MMY 30 Caractéristiques Avantages et inconvénients Élément sensible : Capteur capacitif typePLANAR à oxyde aluminium. Gamme de mesure : Point de rosée de -90°c à +10°c Précision de mesure : ±2°c sur le point derosée Reproductibilité : ± 1°c Humidité relative maximale : 50% pourdes températures de points de rosée >0°c Sortie : 4 à 20 mA/ 2 fils+ Mesure d’humidité de 0 à 100%+ Facile à installer– Prix élevéLors de la présentation de la soumission du capteur d’humidité au client (Annexe B), il s’estavéré que l’information que l’humidité ajoute à la performance de la foreuse ne mérite pas ungrand financement. C'est pourquoi il sera proposé dans les recommandations et non dansl’analyse des solutions retenues.2.3.5 Capteur de forceUn capteur de force mesure en règle générale au moyen d’un corps élastique (jauges decontraintes) la force qui agit sur lui. Plus grande est la force, plus importante est la déformationdu corps élastique. Ce dernier doit être suffisamment élastique et résistant afin de pouvoirmesurer sans qu’il se brise, sachant que la force de poussée de la béquille est égale à 2000 N.Il existe plusieurs types de capteurs de force (à bras cisaillés, en S, en poutre, en acierinoxydable…). Deux de ces derniers seront proposés au client dépendamment de l’applicationdésirée qui sont :- Capteur de force de type S « Cellule de charge Omega LCCA-1K » qui mesurera la forcede poussée à la pointe de la béquille.Zouhair Britel Hiver 2010 22Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquille- Des jauges de contraintes à trame pelliculaire « Rosette Omega KFG-2-120-D17-11L3M3S» seront positionnées (collées) autour de la béquille afin de mesurer ladéformation et en déduire ainsi la force de poussée de la béquille.Le choix du capteur de force se fera par rapport au tableau de comparaison suivant :Tableau 2.10 : Comparaison des capteurs de force proposés [8]Capteurs Caractéristiques Avantages et inconvénientsCellule decharge« de typeS »Jauges decontact« Rosette » Capacité : 4448,22 N(1000 lb) Traction et compression Résistant à la corrosion 0.25% interchangeable Version 0°/45°/90°; Capacité de charge très grande Application statique etdynamique Large température ambiante+ Accepte la vibration+ Facile à déplacer+ Facile à remplacer- Difficile à installer sur la béquille+ Détermination de l’angle del’effort- Les jauges devront être colléespour chaque béquille à étudierLa solution recommandée au client est celle de la cellule de charge qui est capable de faire lesmesures pour différentes béquilles et à différents emplacements. Ce choix est approuvé par leclient. Toutefois, il reste à l’accoupler avec la béquille.2.3.6 Capteur de vitesseLe capteur de vitesse permettra de mesurer le nombre de tours par minute de la tige de forage.Pour cela, il va falloir installer ce capteur sur le côté foreuse. Cependant, il faut prendre enconsidération plusieurs caractéristiques et plus précisément, les vibrations dues par la percussionde la foreuse. Afin d’éliminer toute erreur de mesure, le capteur sera installé sur le côté pompe etle rapport de vitesse sera en fonction du rapport de transmission par chaîne.Les capteurs les plus connus pour ce type de mesure sont les capteurs inductifs et les capteursrotatifs. Le tableau qui suit décrit en bref les caractéristiques pour chaque capteur.Zouhair Britel Hiver 2010 23Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleTableau 2.11 : Comparaison des capteurs de vitesse de rotationCapteurs Avantages InconvénientsCapteurinductif« Schneider »Codeurrotatif• Large gamme de mesure• Facile à mettre en œuvre• Pas de contact physique avecl’objet• Appareil statique• Économique• Disponible• Mesure fiable• Disponible• Accepte les vibrations• Robuste• Économique• Sensible à la saleté• Sensible aux vibrations• Il faut concevoir un systèmed’engrenage afin de le lieravec la roue.Suite à la présentation des capteurs de vitesse au client, nous avons conclu que l’installation seraéquipée du capteur inductif de la compagnie Schneider.Sur ce dernier choix, nous concluons la partie « recherche de solution », et nous passerons audéveloppement de toute l’installation choisie.Zouhair Britel Hiver 2010 24Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleCHAPITRE 3 :Développement et conception de la solutionfinaleDans ce chapitre, le processus concernant la conception des différentes composantes du bancd’essai sera traité. En plus de la description générale de la solution finale, on retrouve les listes etles descriptions détaillées de toutes les composantes ainsi que tous les résultats de calculs quiconcernent le système hydraulique suggéré. De plus, nous présentons la conception relative aubon fonctionnement du banc d’essai.3.1 Description de la solution finaleLa solution finale qui a été retenue, en collaboration avec le client et en se basant sur la matricede décision, est celle d’une pompe hydraulique avec une transmission de puissance par chaîne.La figure 3.1 décrit le dessin final du banc d’essai.La suite du chapitre portera sur le développement détaillé de chaque composant de ce bancd’essai.Protecteur fixeTransmissionpar chainePompe Vickers PVM018SECAN S250Acier de forageDissipateurd’énergiePoignée anti-vibratileBéquillePalier avec roulementsà billesCellule de charge SPalier avec roulementsà rouleauxBloc de bétonPointe de béquilleSupport du capteur de forceFigure 3.1 : Dessin final du banc d'essaiZouhair Britel Hiver 2010 25Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquillePour ce faire, le processus d’étude a été subdivisé en six sections distinctes, qui une foisrassemblés, donnent la solution complète avec les spécifications techniques et les calculs propresau choix de chaque composante.1- Choix du système hydraulique (pompe, réservoir, raccords, etc.);2- Choix du multiplicateur de vitesse;3- Choix de la chaîne;4- Conception d’un système pour éliminer la percussion;5- Installation des différents capteurs sur le banc d’essai.6- Dessin de conception du banc d’essai (Annexe G);Chacune des parties mentionnées ci-haut sera décrite en détail, selon les principes théoriques deséquipements utilisés, les calculs et les résultats de design de ces derniers et la description de ceuxchoisis en fonction des besoins et de ce qui est disponible sur le marché.3.2 Processus de conceptionPartant des fondements théoriques et des équipements proposés par le client, les sectionsprésentées ci-dessous décrivent les différentes étapes de conception du banc d’essai énuméréauparavant, théorie et calculs propres aux choix d’une pompe hydraulique. Dans cette section,nous allons décrire les différentes composantes du système hydraulique.3.2.1 Théorie et calcul propre aux choix d’une pompeDans le cas de notre installation hydraulique, la pompe est actionnée par la foreuse pneumatiqueavec une vitesse de rotation maximale de 100 tr/min. La foreuse est reliée à un bloc detransmission de puissance avec un rapport de transformation de 15,6 comprenant unetransmission poulie-chaine et un multiplicateur de vitesse. Cette combinaison permet d’avoir unevitesse maximale de 1560 tr/min qui sert de moteur pour entraîner la pompe.Une fois actionnée, la pompe aspire le fluide à partir du réservoir, ramenant le fluide d’une bassepression vers une pression plus élevée au niveau du circuit.Le fluide est ensuite acheminé vers le limiteur de pression proportionnelle qui permet de varier lapression dans le circuit. Cette variation génère un couple résistant qu’on récupère au niveau de lasortie de la pompe. La figure 3.3 montre le schéma hydraulique de la solution adoptée.Zouhair Britel Hiver 2010 26Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleDistributeur 4/2 àcommande par levierBloc de contrôleLimiteur depression ajustéFiltre depressionLimiteur de pressionproportionnelPompe à cylindrée variableavec arbre compensée enpressionConduite flexibleForeuse à béquillealimentant la pompeRéservoirFigure 3.2 : Schéma du circuit hydrauliqueLa simulation de ce circuit hydraulique n’a pas pu être faite puisque la pompe à cylindre variablechoisie ne figure pas dans la bibliothèque du logiciel de simulation « Automation Studio ». Afinde confirmer le fonctionnement de ce circuit, nous avons partagé nos données avec M. ÉlieDesjardins, ingénieur qui s’occupe du support Électro-Hydraulique à KINECOR Inc. La pompequi nous a été proposée est de type pompe à piston axial de type Vickers PVM018. Cette pompesera livrée avec toutes les composantes présentes sur le schéma du circuit hydraulique(Annexe A).Le fonctionnement de cette installation est comme suit :1. À une vitesse de rotation de 1560 tr/min transmise par la foreuse, la pompe estenclenchée.2. Dés lors, la pompe aspire le fluide hydraulique du réservoir, ramenant le fluide d’unebasse pression vers une pression plus élevée au niveau du circuitZouhair Britel Hiver 2010 27Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquillecontrôle) etc. La liaison entre ces différents éléments se fait généralement de façon démontablegrâce à des raccords. Le choix de ces éléments de liaison dépend de la pression statique etdynamique, le débit, l’étanchéité, les vibrations mécaniques et hydrauliques et le prix. Lesystème de bloc au complet vient en ensemble avec notre pompe « Vickers PVM018 ». Cecifacilitera l’installation et la manipulation.3- L’huile hydraulique :Le fluide hydraulique influence directement sur les performances prévues, la durée de vie, lasécurité de fonctionnement et surtout la rentabilité de l’installation hydraulique. Dans la plupartdes applications, on utilise des fluides à base minérale qui entrent dans la classe des « huileshydrauliques ».L’huile qui sera utilisée pour notre installation hydraulique est de type Shell Tellus HD 32,(ayant une viscosité ISO de grade 32). À 40°C on a une viscosité 2 cinématique de 30,4 mm 2 /sCette huile est celle utilisée par le laboratoire CANMET. Elle est aussi conseillée par leconstructeur de pompe VICKERS. [14]4- Les rendements :Trois rendements interviennent pour les pompes :- Le rendement volumétrique η v caractérise les fuites internes des composantes de notrepompe et dépend évidemment des mêmes paramètres que la cylindrée réelle.- Le rendement global η g , caractérise le rapport entre la puissance entrante dans la pompeet celle en ressortant.- Le rendement mécanique η m caractérise les pertes par frottements et les pertes de chargeinternes. Il est donné par la formule suivante :Avec η V et η g sont tirés du catalogue.ηη mm = ηη ggηη VV3.22 La viscosité d’un fluide est la propriété exprimant sa résistance à une force tangentielle. La viscosité est dueprincipalement à l’interaction entre les molécules du fluide.Zouhair Britel Hiver 2010 29Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquille5- Le débit :Le débit représente le besoin en fluide hydraulique nécessaire pour le fonctionnement de notrepompe. Il doit être suffisant pour que la demande globale de la pompe soit satisfaite à toutmoment du cycle de travail. Il est représenté généralement en débit volumique Q V (m 3 /s) etdépend de la vitesse de rotation à l’entrée de la pompe. Il se calcule comme suit :Q v = ω i × D réelle 3.3ω i étant la vitesse de rotation de l'arbre en rad/s.La pompe commence à pomper de l’huile à une vitesse de rotation minimale de 1000 tr/min. Cequi implique un débit minimal de 18 L/min. Avec notre vitesse d’entrée initiale de 1560 tr/min,on a un débit de 28,08 L/min qui est suffisant pour pomper de l’huile.6- Le couple nécessaire à l’entrainement de l’arbre :Le couple (τ) nécessaire à l’entraînement de l’arbre de la pompe varie selon la valeur de pression(p) choisie dans le limiteur de pression proportionnelle, avec :τ = p × D réelle 3.4On considère également que les pertes volumétriques (fuites) n'ont pas d'effets sur le couple. Eneffet seules la pression et les surfaces actives (pistons, engrenages, palettes, etc.) entrent encompte dans la détermination géométrique du couple.La puissance de la pompe (P) se calcul comme suit :P = τ × ω 3.5La détermination des différents paramètres influençant notre pompe hydraulique est terminée.Nous avons regroupé tous ces paramètres dans un tableau tout en comparant les valeursprésentées dans le catalogue et les valeurs théoriques calculées à partir des équations présentéesprécédemment. Ce tableau est représenté comme suit :Zouhair Britel Hiver 2010 30Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleTableau 3.1 : Caractéristiques de la pompe Vickers PVM018CaractéristiquePompe à piston axial de type Vickers PVM018Cylindrée (cm 3 /tr) 18CylindréeDébit maximal (L/min)VariableVitesses (tr/min) 1800 1500 1200 1000Catalogue : 31 26 21 17Théoriques (eq 3.3): 32,4 27 21,6 18Pression nominale psi (MPa) 2000 (13,79)Pression de pointe psi (MPa) 4000 (27,58)Vitesse nominale (tr/min) 1560Vitesse de pointe (tr/min) 1800Vitesse minimale (tr/min) 900Puissance nominale à 3000 psi(KW)Vitesses (tr/min) 1800 1500 1200 1000Catalogue : 16 13 11 9Théoriques (eq 3.5): 14,87 12,39 9,9 8,26Durée de vie (h) 5000RendementsVitesse (tr/min) 1800 1500 1200 1000η v rendement volumétrique (%) 94 97 95 94η g rendement total (%) 96 92 93 92Niveau de bruit (dB [A]) à 3000PSICourbe du catalogue de lapompe (Page10)63 58,5 56,5 54,5À l’aide des propriétés connues de la pompe, la donnée la plus utile et qui est à la base de notreétude, est le couple appliqué sur la tige de forage. À l’aide de l’équation 3.4, il est possible devarier le couple à la sortie de la pompe dépendamment de la pression choisie par le limiteur depression. Ce couple C pompe-av (avant transformation) est représenté par la courbe bleue de lafigure 3.3.Zouhair Britel Hiver 2010 31Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleÀ l’aide de la transmission de puissance (R=15,6) due par le multiplicateur de vitesse et par lachaîne, nous pouvons définir le couple appliqué sur la tige de forage C pom-for à l’aide de larelation suivante :RR = ωω ppppppppppωω ffffffffffffff= ηη CC ffffffffffffffCC pppppppppp3.6La courbe verte de la figure 3.3 représente le couple appliqué sur la foreuse C pompe-ap (aprèstransformation) en fonction de la pression appliquée sur la pompe.À l’aide du logiciel de simulation Matlab, nous avons pu sortir les courbes de la figure 3.3.Figure 3.3 : Couple résistant fournit par la pompe en fonction de la pressionD’après la figure 3.3, nous pouvons remarquer qu’à 1300 psi le couple résistant est maximal ducoté de la pompe C pompe-av égale à 25,64 N.m. À cette même pression, C pompe-ap est égale à 400N.m. Ce couple résistant fait en sorte que la foreuse s’immobilise sachant que la foreuse appliqueun couple maximal sur la foreuse de 400 N.m. Cependant nous ne pouvons pas confirmer si latige de forage va s’immobiliser ou non puisqu’on ne connait pas la réaction de la foreuse lors duforage concernant la consommation d’air comprimé, la puissance, la pression, la force de labéquille. Au moment où le projet sera réalisé, ces données seront connues.Zouhair Britel Hiver 2010 32Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleGrâce au capteur de vitesse installé sur le multiplicateur de vitesse (section 3.5.4) on pourraconnaitre la vitesse de rotation de la tige de forage, et par conséquent tracer la courbecaractéristique couple / vitesse qui modélise parfaitement le fonctionnement de notre foreuse enfonction du couple résistant appliqué par la variation de pression dans la pompe.3.2.2 Choix du multiplicateur de vitesseLe multiplicateur de vitesse choisi est de type HÉCOGEAR. Il peut transmettre jusqu’à 6780 Nmavec un rapport de transformation égal à 5,2 (le catalogue des caractéristiques et mesures de cemultiplicateur sont disponibles en annexe A. Ce choix de rapport est dû parce que lemultiplicateur vient directement avec la pompe hydraulique Vickers PVM018, ce qui permetd’avoir un rendement maximal sans pertes lors de la transmission. La figure qui suit est unschéma descriptif du multiplicateur:Arbre de la pompeFigure 3.4 : Image du multiplicateur HÉCOGEAR [10]3.2.3 Transmission de puissance par chaîneLa chaîne utilisée pour faire les calculs est très utilisée dans le domaine industriel, c’est unechaîne à rouleaux standard de type RENOLD, conforme aux standards ANSI 3 , et nous a étéproposée par la compagnie KINECOR située à Rouyn-Noranda.La détermination des paramètres du système de transmission par chaîne passe par plusieursétapes. Nous savons que la pompe choisie doit être entrainée à un maximum de 1560 tr/min etque le multiplicateur offre un rapport de transformation de 5,2. Sachant que la tige de forage3 «ANSI»: l'American National Standards InstituteZouhair Britel Hiver 2010 33Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilletourne à 100 tr/min, la transmission par chaîne devra fonctionner à son tour commemultiplicateur avec un rapport de multiplication égal à 3.La figure 3.7 illustre un système de transmission par chaîne composé d’un pignon (sur la tige deforage) et d’une roue dentée (sur l’arbre du multiplicateur) reliés par une chaîne.Côté foreuseCôté pompehydrauliqueFigure 3.5 : Paramètres du système de transmission par chaîneLes paramètres à considérer pour ce système de transmission sont :d pignon : Diamètre primitif du pignon, en mm (po);d roue : Diamètre primitif de la roue, en mm (po);C : Entraxe, en mm (po);ω pignon : Vitesse angulaire du pignon, en rad/s;ω roue : Vitesse angulaire de la roue, en rad/s ;n roue : Vitesse de rotation de la roue, en tr/min;L : Longueur de la chaine, en mm (po);L m : Longueur de la chaine, en nombre de maillons;Toutes les équations dans la présente section ont été tirées du Livre Éléments de machines(chapitre 15) [B].• Choix de la chaîneLa puissance effective P’ se fait pour le choix du pas de la chaîne et dépend du facteur de serviceK s et de la puissance maximale fournie par la foreuse P.P ′ = K s × P = 1,3 × 5,61 hp = 7,293 hp 3.7En consultant l’abaque de la (figure 15.13) du livre d’Élément de machine, on constate qu’il y ale choix de la chaîne simple 80-1 où p = 2,54 cm (1 po), de la chaîne double 80-2 où p = 2,54 cm(1 po), de la chaîne triple 60-3 où p = 1,905 cm (0,75 po) ou encore la chaîne quadruple 60-4 oùp = 1,905 cm (0,75 po).Pour une économie de coût d’achat, de temps d’installation et de lubrification, la suite descalculs se fera pour la chaine simple 80-1 « RENOLD 119084 ». Ce choix est approuvé par leclient.Zouhair Britel Hiver 2010 34Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquille• Paramètres de la roue et du pignonSachant que le rapport de vitesse demandé est R V = 3, la vitesse de rotation du pignon n pignon est :n pignon = R v × n roue = 3 × 100 tr⁄ min = 300 tr/min 3.8Le nombre de dents minimal pour le pignon qui satisfait à la condition P r ’ > P’ est N pignon = 13dents pour une puissance effective P r ’ = 10,8 hp (Annexe C).Le nombre de dents de la roue est défini à l’aide de la relation suivante :• Calcul des diamètres des roues :N roue = R v × N pignon = 3 × 13 = 39 dents 3.9Le diamètre minimal du pignon (côté pompe) se calcule comme suit :d pignon= p × N pignonπ= 2,54 cm × 13π= 10,51 cm (4,138 po)Ainsi, le diamètre minimal de la roue (côté foreuse) pour 39 dents est égal à 31,52 cm (12,41 po)Pour qu’une transmission par chaîne fonctionne correctement, la chaîne doit respecter un angled’enroulement de plus de 120° sur le pignon.Ѳ = 180° − 2 Sin −1 d roue − d pignon = 163,54° > 120°2 CCe qui est acceptable• Calcul de la longueur de la chaîne L :La longueur de la chaîne L se calcule comme suit :L m = 2C m + N pignon +N roue23.103.11+ N roue − N pignon4π 2 C m3.12L’entraxe doit se situer entre les limites suivantes 30 ≤ C m ≤ 50. On prend C m minimal 30.L = L m × p 3.13La valeur modifiée de l’entraxe C m et C sont donc :C m = L m4 − (N 1 + N 2 )+ [ L m84 − N 1 + N 2]82 − N 3.142 − N 18π 2C = C m × p 3.15Les résultats des caractéristiques de la chaine sont représentés dans le tableau 3.3.Zouhair Britel Hiver 2010 35Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleTableau 3.2 : Caractéristiques de la chaîneType de chaîne N roue N pignon d roue d pignon C LChaîne 80-113 39 31,52cm10,51 cm76,258 cm218,61 cmp = 2,54 cm (1 po)12,41 po4,138 po30,023 po86,068 poCette vérification complète la procédure de conception.• Calcul du facteur de sécuritéPour éviter la rupture de la chaîne, il faut vérifier que l’inégalité suivante est satisfaite :AvecF 1 + F c ≤ F ruptureFS• F rupture : Charge minimale de rupture3.16F rupture = Xp 2 = 86,2 × (25,4 mm ) 2 = 55612,79 N (12502 lbf) 3.17Où dans le système international, X est une constante et égale à X = 86,2.• F 1: Tension utileLe nombre de dents du pignon exerce une influence sur la variation de vitesse de la chaînecausée par la rotation. La vitesse de la chaîne V est donnée par :V = p × N pignon × n pignon60 × 1000= 0,0254 m × 13 × 300 tr⁄min60 × 1000= 0,1651 m/ s ( 0,541 pi/s⁡)3.18La tension utile F 1 devient :Donc :F 1 = 1000 × P v = 1000 × 4,188 KW= 25366,45 N (5702,6 lbf)0,1651 m⁄ s3.19• F c : Tension due à la force centrifuge pourF c = ρ × v 2 = 2,56 × 0,1651 2 = 0,06978 N (0,015687lbf) 3.20Où ρ est la masse linéique de la chaîne égale à 2.56 kg/m (0.05324 lbm/pi)Donc :• FS : Facteur de sécuritéFFFF =55612,7925366,45 + 0,06978 = 2,19 3.21Afin de compléter cette partie de la chaîne, il faut vérifier l’inégalité de l’équation 3.16F 1 + F c (25366,52) < F ruptureFS(25393,97)L’inégalité est satisfaite, donc les paramètres de la chaîne choisie est sécuritaire.Zouhair Britel Hiver 2010 36Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquille3.2.4 Mécanisme anti-percussionAfin d’éliminer la percussion de la tige de forage par rapport à la transmission par chaîne, il a étéréfléchi pour un mécanisme constitué d’un palier de stabilisation, des roulements à rouleaux, etd’une douille à ouverture hexagonale. La figure suivante représente le système au complet.T pompe : Tension appliquée par la pompeT foreuse : Tension appliquée par laforeuseRoue à 39 dentsDouille à clavetteRoulements à rouleauxPalier de stabilisationFigure 3.6 : Système anti-vibrationCette douille transmet la rotation de la tige de forage tout en éliminant la percussion. Deuxroulements à rouleaux axiaux sont installés aux extrémités (figure 3.6) afin d’appuyer la rotationde la roue et ainsi éliminer complètement les vibrations sur la chaîne. Ces roulements sontintroduits dans deux paliers de stabilisation où les extrémités de la roue sont soutenues, ajoutantainsi aux roulements à billes un appui qui élimine complètement la flexion de la tige de forage(Annexe D).La douille à ouverture hexagonale est directement fixée sur la tige de forage à l’aide d’une viscarrée qui une fois insérée, permet d’avoir un système quasi soudé. Pour que le système soitsécuritaire et que la douille n’y sorte pas, il faut prendre en charge le déplacement subi de chaque5 mm pour chaque percussion. On prend la longueur de la douille égale à 80 cm. La figure 3.7représente les dimensions à considérer pour la douille.Zouhair Britel Hiver 2010 37Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquille12,7 mm80 mmClavette10 mm7.112 mm6.3875 mm22.225 mmFigure 3.7 : Douille anti-percussionLors des essais, la partie de la douille qui va transmettre la rotation est la clavette. Cette dernièredoit résister aux contraintes appliquées dessus. Un calcul de facteur de sécurité est alors imposé.En appliquant les critères de Tresca, le facteur de sécurité de la douille dû au cisaillementmaximal est :FFFF =SS yy2ττ mmmmmm3.22On peut considérer que la répartition des contraintes de cisaillement est uniforme dans toute lasection de la clavette, le cisaillement maximal est égal à :ττ mmmmmm = FF SS3.23Avec :S : Section de la clavette.F : La force F dépend de du couple C foreuse et du rayon extérieur de la douille r douille avec :r douille : Le rayon de la douille (figure 3.8).FF = TT rréss×rr rrrrrr eerr dddddddddddddd3.24T résur douille =22,225 + (6,3875 × 2)2= 17,5 mmmm: La tension résultante entre la foreuse et la pompe appliquée dans la chaine.TT rréss = TT ffffffffffffff − TT pppppppppp 3.25TT ffffffffffffff= MM ffffffffffffffrr rrrrrrrr× CCCCCCØ = 400 NN.mm0,1576 mm× CCCCCC7,84 = 2514,35 NN3.26TT pppppppppp= MM pppppppppprr rrrrrrrr× CCCCCCØ 50 NN.mm0,1576 mm× CCCCCC7,84 = 314,3 NN3.27L’équation 3.25 devient :TT rréss = 2514,35 NN − 314,3 NN = 2200 NNZouhair Britel Hiver 2010 38Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleØ étant l’angle d’inclinaison de la chaine entre la roue et le pignon égal à 7,84°. (Annexe D)L’équation 3.24 devient :FF = 2200 NN × 14,76. 10 −2 mm17,5. 10 −3 mm= 18555,43 NNAinsi, le cisaillement maximal de l’équation 3.23 devient :ττ mmmmmm = ττ cccccccc =18555,42 NN12,7 × 80 × 10 −6 = 18,26 × 106 NN mm 2 ⁄ = 18,26 MMMMMMOn choisit comme type d’acier pour la douille le UNS G10350 (laminé à chaud), avec une limited’élasticité égale à 270 MPa. (Annexe)L’équation 3.22 devient :FFFF =270 MMMMMM2 × 18,26 MMMMMM= 7,4Le facteur de sécurité pour la clavette est sécuritaire et démontre qu’elle va résister auxcisaillements appliqués dessus.Une étude de résistance de matériaux pour la douille est effectuée par la méthode des élémentsfinis à l’aide du logiciel Inventer. Ce dernier permet de simuler le comportement mécanique dela structure et ensuite d’étudier la déformation de la pièce. L’interprétation dans le logiciel estfaite en fixant la partie interne et en appliquant la tension résultante T rés due à la roue. Le résultatde simulation est donné dans la figure ci-dessous.Figure 3.8 : Déformation maximale de la douilleZouhair Britel Hiver 2010 39Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleOn remarque en effet que les contraintes s’appliquent sur la clavette. Nous pouvons à présentrelever le facteur de sécurité qui est égale à 3,34. On remarque une différence entre le FS simuléet calculé, puisqu’on a considéré pour ce dernier juste la clavette.3.3 Installation des capteurs3.3.1 Étalonnage du capteur de pressionLe transmetteur de pression Cerabar S est utilisé pour la mesure de pression absolue et relativedans les gaz. La pression absolue est la valeur qui correspond pour une température donnée àl’énergie potentielle totale d’un fluide par rapport au vide pris comme référence. Il est impossibled’avoir une pression négative puisque le vide est la plus basse pression possible, soit la pressionatmosphérique égale à 101325 Pa. Afin d’éviter son addition répétitive, le capteur sera étalonnépour afficher la pression relative par rapport à la pression atmosphérique prise comme référenceet peut être positive ou négative. La figure qui suit montre le capteur installé dans l’atelier detravail.CerabarPMP 71Figure 3.9 : Capteur de pression installé dans l'atelierOn étalonne le transmetteur de pression de -15 psi à 130 psi pour une sortie de 4mA à 20 mA.- Étendue de mesure : 130 psi - (-15 psi) = 145 psi- La sensibilité : S = ΔSortieΔEntrée20−4 (mA )= = 0,1104 mA 3.28130—(−15)(psi ) psi- La fonction de transfert permettant de connaître la valeur des sorties en fonction desentrées se calcule comme suit :Sortie (mA) = S × entrée (psi) + b 3.29Sortie (mA) = 0,1104( mA psi) × entrée (psi) + bAvec, l’entrée égale à 130 psi et la sortie égale à 20 mA, on trouveZouhair Britel Hiver 2010 40Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleSortie (mA) = 0,1104 mA psi × entrée (psi) + 5,648(mA)- L’erreur absolue est l’erreur exprimée dans le système de mesure du mesurande est :Erreur absolue (ε a ) = Imprécision × Étendu de mesure 3.30- L’incertitude du transmetteur se calcule comme suit :Incertitude = Erreur absolue (ε a ) × Valeur mesurée (mm) 3.31- L’erreur relative est l’erreur exprimée en pourcentage par rapport à la valeurmesurée.ε aε r =valeur mesurée × 100 3.32- La vraie valeur de pression se calcule comme suit :La vraie valeur = Valeur mesurée (m) − Erreur absolue (ε a ) 3.33Le fonctionnement idéal de la foreuse se fait à 90 psi. Le compresseur peut transmettre àpuissance maximale une pression égale à 100 psi. Sachant que le transmetteur présente uneimprécision de +/- 0,075 %, le tableau qui suit présente les caractéristiques du transmetteur parrapport à la gamme d’entrée.Tableau 3.3 : Étude du transmetteur de pression PMP 71Entrée « m »SortieErreur absolueL’incertitudeErreurLa vraie valeur de(Valeur mesurée)« ε a »relativepression(psi)(mA)(psi)(psi)(%)(psi)-15 3,992 +/- 0,10875 +/- 1,63125 +/- 0,725 - 14,891 ou 15,108750 5,648 +/- 0,10875 0 - +/- 0,1087590 15,584 +/- 0,10875 +/- 9,7875 +/- 0,1208 88,9125 ou 90,10875130 20 +/- 0,10875 +/- 14,1375 +/- 0,0836 129,89125 ou 130,89875L’étude d’étalonnage pour tous les capteurs qui vont suivre se fait de la même manière.3.3.2 Installation du capteur de débitDeux emplacements sont possibles pour l’installation du capteur. La première conduite dediamètre égale à 5,08 cm (2 po) provient directement du compresseur. Vu que le compresseuralimente toutes les conduites de la mine, sa longueur totale nous est inconnue. Nous considéronsalors comme premier choix pour notre installation la conduite en acier installée dans l’atelier defabrication et de longueur horizontale égale à 3,048m (10 pi) (sens du gaz : de gauche à droite).Zouhair Britel Hiver 2010 41Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleLa deuxième conduite en caoutchouc de diamètre égale à 2,54 cm (1 po) et une longueurverticale de 1,707 m (1,6 pi) est liée directement avec la foreuse. Donc les mesures seront plusprécises (subit moins de pertes) puisqu’une vanne de régulation assure fait la liaison entre lesdeux conduites dans l’atelier.Le choix du capteur se basera sur la quantité de débit maximal dans les conduites.• Calcul du débitLe débit dépend de la vitesse d’écoulement et du diamètre de la conduite. Puisque nous neconnaissons pas la vitesse d’écoulement, nous allons procéder par des notions étudiées dans lecours de dynamique des fluides.Le calcul de débit sera approximatif du au manque d’informations obtenues par l’entreprise.Pour remédier à ce manque de données, nous allons poser des hypothèses qui permettront decalculer un débit maximal avec une large marge de sécurité. Ces hypothèses sont :- Le compresseur alimente seulement la foreuse;- Les pertes principales dues aux conduites entre la sortie du compresseur et l’entrée de lapremière conduite sont négligeables. On aura alors une pression égale à 100 psi(689475,7 Pa);- La pression à la sortie de la première conduite est égale à la pression maximale déjàmesurée qui est égale à 90 psi (620528,2 Pa);- La température à la sortie du compresseur est égale à T = 30°C;- Régime d’écoulement turbulent, Re d > 2000;- Les pertes mineures dues aux liaisons, coudes, etc sont négligeables;Afin de mieux schématiser le problème, le dessin suivant décrit les principales caractéristiquesnous permettant le calcul du débit.L =3,048 mP 1 = 90 psiT 1 = 30°CP 1 = 100 psiT 1 = 30°CD = 5,08 cmQ, VFigure 3.10 : Caractéristiques de la conduite N°1Zouhair Britel Hiver 2010 42Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleLe calcul du débit volumique dans les conduites à régime turbulent se fait comme suit :Avec :Q v = −0,965 gD5 0,5h LL ln ɛ0,53,7D + L3,17υ2 gD 3 h L• g : Constante de gravité terrestre, g = 9,81 m/s 2 ;• D : Diamètre de la conduite D=5,08.10 -2 m;• L : Longueur verticale de la conduite L=3,048 m;• ε : Densité volumique, négligeable puisque ε

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleLe débit obtenu semble logique puisqu’on a comme information que deux foreuses peuvent êtrealimentés à la fois sachant que chacune d’elles consomme 250 pi 3 /min soit (500 pi 3 /min pour lesdeux).Afin de confirmer le régime considéré au départ turbulent, nous allons calculer la vitessed’écoulement V.V = Q v1A= 4Q 4 × 0,356v1m 3πD 2 = sπ × (5,08. 10 −2 = 175,64 m ⁄m )2 s3.39Ainsi, le nombre de Reynolds se calcule comme suit :Re d = VD υ = 175,64m ⁄ × 5,08. 10 −2 sm2,3933. 10 −6 = 3728121 > 2000m 2 ⁄ s3.40Nous constatons que la vitesse d’écoulement est très grande, presque égale à la vitesse du son344 m/s. Nous pouvons automatiquement éliminer la possibilité d’installer le capteur sur cetteconduite puisqu’aucun des capteurs proposés n’a la capacité de mesurer un tel débit Q 2 pour unaussi petit diamètre de conduite D 2 (2,54 cm).Pour la première conduite à D 1 , le capteur ST98L a la capacité de mesurer le débit d’écoulementen toute sécurité puisque sa gamme de mesure est de 1,416 à 21,24 m 3 /min (50 à 755 pi 3 /min).Le choix de notre capteur sera le ST98L.Il reste à respecter les longueurs droites minimales d’entrée et de sorties (état 1 et état 2 figure),afin d’atteindre la précision de mesure spécifiée soit 1,02 m (20×D 1 ) avant le capteur, et 0,51 m(20×D 1 ) après le capteur.Principe d’installation :1. Le capteur est alimenté à 2 fils à une tension d’alimentation de 24 V.2. Il est possible d’émettre généralement les grandeurs de mesure suivantes : Débitvolumique, Température, débit massique, débit volumique normé, débit chaleur viala sortie courant, fréquence, impulsion et état. Pour notre cas, nous allonsutiliser l’affichage deux lignes pour:- La sortie courant : « 4 à 20 mA » avec HART afin d’afficher la température (La constantede temps est réglable de 0 à 100s).Zouhair Britel Hiver 2010 44Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquille- La sortie impulsion : « Sortie fréquence » afin d’afficher le débit volumique (Lafréquence finale 0…1000Hz).3. L’acquisition de données peut se faire à l’aide d’un ordinateur doté d’une carted’entrée 4-20 mA ou à l’aide d’un automate. La mine laboratoire possède déjà unecarte d’acquisition sur ordinateur de type militaire à 6 entrées. Ainsi, tous lescapteurs de mesure seront installés sur cette même carte.4. Toutes les manœuvres d’installation, de branchement et de programmation sontdétaillées dans le catalogue du capteur (Annexe B).3.3.3 Installation du capteur de forceLa cellule de charge choisie pour mesurer la force de la béquille est de type Omega LCCA-1Kcomposée d’un mélange en acier, nickel et chrome. Sa charge maximale peut atteindre jusqu’à4448.22 N (1000 lb) en compression ou en traction. Dans notre cas, nous allons l’utiliser justepour la compression. Ce choix est sécuritaire puisque la force maximale de la béquille peutatteindre 2000 N. Il reste toutefois à réfléchir pour un système afin de l’assembler avec labéquille. Le capteur peut être alimenté jusqu’à 15Vdc à l’aide de deux fils d’entrée (rouge etnoir), et deux autres fils (blanc et vert), permettrons de transmettre les données du capteurjusqu’à la carte d’acquisition de données. L’erreur de lecture est très minime puisqu’ellereprésente 0,037 % de l’étendue de mesure. Afin de mieux représenter le capteur, la figure 3.16représente un dessin sur Inventer du capteur choisi.50.8 mm76,2 mmConnexion à 4 filsConnexion carte d’acquisitionFils d’alimentation19.05 mmFigure 3.11 : Cellule de charge "Omega" [8]La figure 3.13 représente le support servant à maintenir la cellule de charge de type S qui estappliquée sur la pointe de la béquille.Zouhair Britel Hiver 2010 45Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleFixation pour pointe de béquilleCellule de charge SAppuie pour le capteur SPlaque inclinéeFixation permettant la rotation selon 2 axesFigure 3.12 : Support du capteur de forceLa particularité de ce système est de permettre la mesure de force de la béquille en tout angle deforage et à tout emplacement (atelier de fabrication ou mine).3.3.4 Installation du capteur de vitesse de rotationLe capteur inductif produit à son extrémité un champ magnétique oscillant qui permet dedétecter sans contact des objets métalliques. Ce capteur sera installé en parallèle avec le pignon à13 dents sur le multiplicateur. Un boulon métallique sera inséré sur cette roue et fera l’objet dedétection. Lorsque ce dernier pénètre dans le champ magnétique, il y a perturbation, puisatténuation du champ oscillant. Cette variation est exploitée directement par la carted’acquisition de données qui délivre un signal de sortie pour chaque détection.• Dimensionnement de l’objet à détecterLe choix du détecteur se fait en plusieurs étapes :- Caractéristiques de la pièce : Matière = Acier (K m =1);- Température de la pièce : -10°C à 40°C (K Ө =0,94);- Distance de détection S a : 15 mm ± 3 mm, soit 18 mm;- Coefficient de correction K d : En général, K d =1;Le détecteur doit respecter la condition :SS aa18 mmmmSS nn ≥== 21,27 mmmmKK Ө × KK mm × KK dd × KK tt 0,94 × 1 × 1 × 0,9Zouhair Britel Hiver 2010 46Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleAinsi, le détecteur choisi est le Schneider XS6 18B1MAL5 pour une longueur de câble de 5 m(bleu/brun). Le capteur sera alimenté à 2 fils soit en alternatif ou en continu avec une sortie en 4à 20 mA. Le principe de branchement est détaillé dans l’annexe BZouhair Britel Hiver 2010 47Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleCHAPITRE 4 :Santé et sécurité au travailTout travailleur ou travailleuse a le droit de travailler dans un environnement sain et sécuritaire.Pourtant chaque année, les accidents du travail et les maladies professionnelles coûtent la vie àun grand nombre de Canadiens travaillant dans des entreprises ou organismes de compétencefédérale ou provinciale. Plusieurs mesures préventives ont permis au court des années de réduirece nombre d’accidents en responsabilisant les employés ainsi que les employeurs dans tous lesdomaines et surtout dans le domaine minier puisqu’il est considéré comme un métier à risque.En vertu de la loi sur les accidents du travail et les maladies professionnels, un accident dutravail est un événement survenant à une personne par le fait ou à l’occasion de son travail et quientraîne pour elle une lésion professionnelle. [11]Tous d’abord, les lois obligent que lorsqu’un accident du travail survient dans l’entrepriseconcernée, il faut qu’elle remplisse rapidement plusieurs obligations, telles que :1- Offrir les services de premiers soins à la personne blessée2- Faire transporter cette personne vers un centre hospitalier, si cela s’avère nécessaire3- Aviser, selon le cas, la commission de la santé et de la sécurité du travail (CSST)4- Transmettre, selon le cas, un rapport écrit de l’accident à la CSSTAfin de prévenir ces accidents de travail, plusieurs lois sont à respecter. Les lois qui s’appliquentdans le cas de notre projet touchent en principe le secteur minier. Nous allons présenter lesdifférentes lois régies par la province du Québec. [12]4.1 Obligation de l’employeurL'employeur doit respecter les normes prévues dans le présent règlement.4.2 Équipements de protection individuelsLes lois qui suivent touchent les équipements de protection individuels des ouvriers dans ledomaine minier. Elles s’appliquent aussi aux personnes voulant avoir accès à l’atelier defabrication et d’entretien d’équipements miniers (voir figure 1.1) et donc au banc d’essai denotre foreuse à béquille.Tous d’abord, le règlement veut :Zouhair Britel Hiver 2010 48Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquille- Le port d'un casque de sécurité conforme à la norme casque de sécurité pour l'industrie,ACNOR 4 Z94.1-M1977 est obligatoire pour toute personne qui se trouve dans la mine.- Le port de lunettes de protection ajustées à la vue de la personne ou d'un écran facialconformes à la norme protecteurs oculaires et faciaux, CAN/CSA-Z94.3-M1988 estobligatoire pour toute personne qui se trouve dans la mine.- Le port de chaussures de protection conformes à la norme chaussures de protection,CAN/CSA-Z195-M92est obligatoire pour toute personne qui se trouve dans une mine.Sans oublier que :- Les vêtements doivent être bien ajustés et ne doivent comporter aucune partie flottante;- Le port de colliers, bracelets et bagues est interdit, à l'exception des bracelets médicauxqui doivent demeurer fixes au poignet;- Si la personne a les cheveux longs, ceux-ci doivent être contenus dans un bonnet ou uncasque.4.3 Précautions de descente dans les minesLors du déroulement du projet, nous avons eu à visiter les conditions de travail de la foreuse sousles mines, pour cela, les lois qui s’y imposent sont :Le nombre et l'identité des personnes se trouvant sous terre doivent être obtenus selon laprocédure suivante:- Avant de descendre sous terre, le travailleur doit placer sa plaque d'identification àl'endroit désigné pour le contrôle des descentes sous terre, cette plaque doit porter lenuméro d'identification ou le nom du travailleur.- Après être remonté à la surface, le travailleur doit enlever sa plaque d'identification del'endroit désigné pour le contrôle des descentes sous terre et la placer à l'endroit désignépour le contrôle des personnes qui sont remontées à la surface;- Lorsqu'une personne accompagne un travailleur sous terre, celui-ci doit joindre à saplaque d'identification une autre plaque sur laquelle est inscrit le mot «visiteur».- Dans tout véhicule motorisé utilisé pour le transport des travailleurs, chaque travailleurdoit disposer d'un siège ou d'une banquette fixée au véhicule, à moins que ce dernier soit4 «ACNOR»: l'Association canadienne de normalisationZouhair Britel Hiver 2010 49Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquillemuni de dispositifs permettant aux travailleurs debout de conserver leur équilibre durantle transport.4.4 Précautions pour les transmissions par chaîneUn protecteur sert expressément à isoler une zone dangereuse d’une machine au moyen d’unebarrière matérielle. Il peut s’agir, notamment d’un carter, d’un couvercle, d’un écran, d’une porteou d’une enceinte. Un protecteur fixe ne peut pas être retiré sans l’aide d’un outil ou estmaintenu en place de façon permanente, par exemple par soudure [13].Afin d’éviter tout danger, un protecteur fixe sera installé sur le banc d’essai. La figure 4.1représente l’installation de ce dernier.Figure 4.1 : Installation protectrice fixe sur le banc d’essaiNotre installation de protection pour notre transmission par chaine devra ressemblerl’image qui suit :Figure 4.2 : Protecteur fixe à ouvertures pour chaînesZouhair Britel Hiver 2010 50Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleSi le protecteur doit être ouvert et retiré régulièrement, il doit pouvoir être manipulé facilement.Il ne doit donc pas être trop lourd. Il ne faut jamais créer une nouvelle situation dangereuse. Lesrisques de coincement des doigts dans une charnière (figure 4.4) en ouvrant le protecteur, parexemple, doivent être évités.Le protecteur doit être conçu de manière à pouvoir être remis en place facilement après avoir, parexemple, lubrifié la pièce en mouvement, l’avoir ajustée ou en avoir fait l’entretien. Si possible,prévoir l’emplacement des points de graissage de manière à éviter d’avoir à ouvrir le protecteurou à le retirer pour faire le graissage.Figure 4.4 : Types d’accidents liés à la chaîneZouhair Britel Hiver 2010 51Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleLe but de cette partie est de connaître le temps nécessaire au client pour récupérer le capital qu’ilinvestît. Pour se faire, on utilise la méthode de la valeur actualisée nette (VAN), avec un tauxd’actualisation pour ce projet de 12%,En tenant compte de la situation actuelle sur le marché et de celle de notre client, nous allonsestimer notre projet sur une durée de 2 ans.Le temps de fonctionnement du banc d’essai est de 15 min/foreuse, avec 20 foreuses/client, lebanc d’essai fonctionne 5 h/semaine, la rédaction du rapport à rendre au client prend deux joursd’ouvrage, donc 16 h/client, ce qui ramène le nombre d’heures de travail par client à 21 h/clientavec les essais bien entendu, facturés à 163 $/h, donc les essais sont facturés à 3423 $/client.Chaque trimestre la mine laboratoire a 3 clients, et par conséquent les recettes annuelles sont del’ordre de 10269 $.Une approximation du coût de facturation par heure pour la nouvelle conception nous a étéfournie par le client, et représente 8 % de plus que le taux de facturation avant amélioration dubanc d’essai. Donc le taux horaire devient 176.04 $/h. Les essais sont facturés à 3696,84 $, cequi engendre une recette annuelle de l’ordre de 11090,52 $.R t : Recettes du projet avant impôt pour la période t;D t : Déboursés du projet avant impôt pour la période t;T : Taux d’amortissement marginal;I : Investissement requis (I = C);MF : Mise de fonds additionnelle;PV : Prix de vente;SSC : Valeur comptable;n : Durée de vie du projet;1 : Projet après modification2 : Projet avant modificationLe calcul de la vanne se fait en 12 étapes. Chaque étape est traitée individuellement.• Étape 1 : Mise de fonds initial (-)M = I + MFMF=0 (aucune mise de fonds additionnelle)M = 28775,5$• Étape 2 : Recettes nettes après impôts (+)Recette nette du projet = Recette nette de l’entreprise avec amélioration (1) - Recette nette del’entreprise sans amélioration (2)Zouhair Britel Hiver 2010 53Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquille• Étape 8 : Perte d’économies d’impôts liées a l’amortissement fiscal (-)( SSC)* d * T( r + d )( 1+r)( 2592.67)( 0.12 + 0.3)( 1+0.12)*0.3*0.309P =3012,54 $=n2 =• Étape 9 : Récupération du fonds de roulement (+)Non applicable• Étape 10 : Impôt à payer sur le gain en capital imposable (-)I( PV − )+( 1+r) 1=nOn aC TSSC ≤ CDonc, il est non applicable• Étape 11 : Impôt à payer sur la récupération d’amortissement (-)2( PV − )+( 1+r) 1SSC TI , Non applicable à cause que SSC = PV=n• Étape 12 : Économie d’impôt liée à la perte final (+)E( SSC − PV )+( 1+r) 1=nTNon applicable commeSSC = PVNous allons récupérer toutes les valeurs calculées précédemment, et nous allons leur assignerchacune un signe (+ / - ) présenté aprés chaque étape. La VAN se calcule comme suit :VAN = - M + (R t - D t ) projet + E + V – PVAN = - 28775,5 $ + 2464,56 $ + 6010,92 $ +13649,09 $ -3012,39 $VAN = - 9664,39 $La VAN est négatif ce la signifie que l’investissement n’est pas couvert par les gains donc leprojet n’est pas parfaitement rentable. Cela est dû au coût de facturation par heure pour lanouvelle conception qui est de 8% de plus que le coût de facturation de l’ancienne installation, cequi ne laisse pas une grande marge de manœuvre et ne permet pas un grand profit pour amortirles nouveaux ajouts.Zouhair Britel Hiver 2010 55Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleRecommandationsIl sera judicieux de prévoir une période d’étude des améliorations apporté au banc d’essaiinitiale, pour bien noter les observations, et la manière d’installer chaque composant afin demaximiser son fonctionnement et d’éviter sa perte. Noter aussi les observations qui permettrontd’apporter des modifications à la nouvelle conception si le besoin s’impose.En raison du faible taux d’augmentation du prix de facturation en $/h, on a eu une VANnégative, et par conséquent un projet non rentable, on recommandera d’augmenter le taux defacturation a 40 % ce qui permettra d’avoir une VAN positif et ainsi amortir le cout du nouveaumatériels dans les délais fixer. (Annexe A)La solution du moteur électrique pourrait être intéressante à développer pour simuler un forageen situation réel, elle a été écartée à cause du choix du client, qui favorisait plus la solutionhydraulique, elle est certes plus encombrante mais plus facile d’utilisation et surtout plus facile àinstrumenter pour un résultat similaire, et nécessite moins d’entretien.Il est aussi recommandé de lubrifier la transmission par chaine avec de la graisse de catégorie 0selon la classification NLGI 5 .5 NLGI Grade est une classification largement utilisé pour les graisses lubrifiantesZouhair Britel Hiver 2010 56Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleConclusionUne amélioration du banc d’essai pour foreuses à béquille a été mise au point et validé dans lecadre d’un projet visant à caractériser les paramètres de performance, en fonction des paramètresà mesurer à l’entrée et à la sortie de la foreuse pneumatique. Les changements apportés au bond’essai consistaient en l’installation de capteur de débit, de pression et de température en vue deconnaitre le débit ,la température et la pression d’air comprimé qui entre dans la foreuse. On aaussi installé un capteur de force, pour mesurer la force de poussée sur la pointe de la béquillequi est à un angle de 25 ○ . Et finalement un capteur de vitesse, permettant de connaitreexactement la vitesse de rotation de la tige de forage lors de l’application d’un couple résistantpar la pompe, permettant ainsi de tracer la courbe caractéristique couple-vitesse décrivant lefonctionnement du banc d’essai.Le système de contre charge est constitué d’une pompe à piston axial à pression compensé,sensible au changement de pression, fournissant un couple résistant qui simule des conditions deforage réel, et complétant par la même occasion le banc d’essai pour une permettre une expertisecomplète des foreuses à tester.L’analyse économique par la méthode de la valeur actualisée nette (VAN), nous permet deconclure que le projet n’est pas rentable ce qui nous pousse à faire des recommandations pouraméliorer cette situation.Finalement, ce cours projet a permis de se familiariser avec les mécanismes hydrauliques, larésistance des matériaux ainsi que l’instrumentation industrielle. À partir des éléments présentésdans ce rapport, l’entreprise est en mesure d’évaluer ses besoins et de prendre une décisionéclairée sur les actions à prendre pour mener à bien la mise en place et l’installation du nouveaumatériels sur le banc d’essai dans un future très proche.Zouhair Britel Hiver 2010 57Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleBibliographie :Sites Web :[1] ressources naturelles Canada http://www.nrcan-rncan.gc.ca; Janvier 2010[2] foreuse à béquille rapport http://www.irsst.qc.ca/files/documents/PubIRSST/R-499.pdf; Janvier 2010[3] http://www.partshq.com/lubricator.htm; Février 2010[4] http://www.rw-france.fr/securite-limiteurs-de-couple; Février 2010[5] http://www.ca.endress.com; Février 2010[6] http://www.fluidcomponents.com; Avril 2010[7] http://www.sti.com/; Mars 2010[8] http://www.omega.ca; Mars 2010[9] http://www.cyber.uhp-nancy.fr; Mars 2010[10]http://www.hecogear.com/heco/catalog/Model_16_General_Information/Hecogear_Model_16_Brochure.pdf; Mars 2010[11] http://www2.gouv.qc.ca/ ; Janvier 2010[12]http://www2.publicationsduquebec.gouv.qc.ca/dynamicSearch/telecharge.php?type=2&file=//S21/S21R19_1.htm; Février 2010[13] https://www.csst.qc.ca/NR/rdonlyres/AF658B56-43F1.../dc_500_147.pdf;Mars 2010[14] www.shellusserver.com/products/pdf/TellusHD.pdf; Mars 2010Livres de référence :[A] Bsata Abdalla, Instrumentation et automation dans le contrôle des procédés, ÉditionsLe Griffon d'argile. 1994.[B] DROUIN, Gilbert et Collets, Éléments de machines, Éditions de l’écolepolytechnique de Montréal, deuxième édition revue et augmentée, 1986.[C] Réjean LABONVILLE, Conception des circuits Hydrauliques, Édition corrigée del’école polytechnique de Montréal.[D] BAZERGUI, André, collaborateurs, Résistance des matériaux, PressesInternationales Polytechnique, troisième édition, 2002.Zouhair Britel Hiver 2010 58Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleANNEXESZouhair Britel Hiver 2010 59Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleAnnexe A : Pompe hydrauliqueZouhair Britel Hiver 2010 60Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleAnnexe B : CapteurZouhair Britel Hiver 2010 101Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleAnnexe C : Transmission par chaîneZouhair Britel Hiver 2010 113Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleZouhair Britel Hiver 2010 114Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleZouhair Britel Hiver 2010 115Amine Berrada

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PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleAnnexe D : Étude des forceZouhair Britel Hiver 2010 113Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleÉtude du système actuelDans cette partie, nous allons sortir toutes les forces exercées dans notre système.1- La puissance de la foreuse P for :PP ffffff = TT ffffff × ωω ffffff = 4188,8 WW 3.1Avec :T for = 400 N.m : Couple généré par la foreuse (N.m)ω for = 100 tr/min = 10,472 rad/s : Vitesse de rotation de la foreuse (rad/s)2- La force d’impact de la foreuse F for :La foreuse peut être représentée par un système « Piston / Marteau », ainsi la force est égale à :FF ffffff = PP ee × AA mm = 2612,68 NN 3.2Avec :P e = 6,2 bar = 620000 pa : Pression d’alimentation nominalA m = 4,214.10 -3 m 2 : Surface du piston ( ππDD mm 2m=73.25 mm43- La force de pousséeLa force de poussée pur une pression de 6,2 bar est 2000 N. Pour le banc d’essai, les mesures sefont toujours pour un angle égal à 25°. La suite des calculs se fera à cet angle.4- La masse de la tige de forageSachant que la tige de forage est de surface hexagonal et possède un trou au milieu, nous allonsprocéder par :• Calcul du volume de la tige de forage pleinSin 60° =a =11 mmsin 60°11 mmmmaa= 12,7 mm60°a11 mm22 mmZouhair Britel Hiver 2010 114Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleL’aire de l’hexagone est AA 1 = 3√22 aa2 = 342,14 mmmm 2Le volume de l’hexagone : V 1 =A 1 ×h = 342,14 mm 2 × 1022,4 mm = 349803,93 mm 3• Calcul du volume du trou de diamètre 4 mm dans la tige de forageLe volume du cylindre (trou) : V 2 = πR 2 h = π×(2mm) 2 ×1022,4 mm = 12847,85 mm 3• Calcul du volume total de la tige de forage avec le trouV tot = V 1 – V 2 = 336956,07 mm 3 = 336,956 cm 3• La masse de l’aciermm aaaaaaaaaa = ρρ aaaaaaaaaa× VV tttttt = 8,02 ∗ 336,956 = 2702,38 gg = 2,702 kkkk 3.3ρρ aaaaaaaaaa = 8,02 g/cm 3 : Densité pour acier inoxydable [éléments de machines]5- Paliers et roulementsLes forces axiales dues au frottement sont négligeables puisqu’il est prévu de les éliminer aumaximum grâce à de la graisse animale.Par la suite, nous allons faire le calcul de force à l’instant de l’impact de la foreuse.Zouhair Britel Hiver 2010 115Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleÉquilibre des forces1- Calcul des réactionsmm ffffffffffffffFF rr.RRRRRRRRFF rr.RRRRRRRR + mm rrrrrrrr × ggMM ffffffffffffffMM ppppppppppABc DEFF ddddddddddddFFF ffffffffffffffFF bbéqqqqqqqqqqqqmm tttttttt × ggFF rr.ddddddddddddyxTT ffffffffffffffTT ffffffffffffffRR 2ppppppppppppyRR 1pppppppppppp .zzRR 1ppppppppppppxzTT ppppppppppzLes distances sont :FE = 470,6 mmFD = 511,2 mmFB = 689,2 mmFA = 1022,4 mmBE = 218,64 mmZouhair Britel Hiver 2010 116Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquille• Réactions selon x : F x = 0F foreuse + F béquille × Cos25° − F dissip = 0FF dddddddddddd = 2612,68 NN + 2000 × CCCCCC25° = 4425,3 NNAvec 80% de cette force absorbée par l’amortisseur, et 20% est dissipée par les ressorts.Réaction selon y : F y = 0F béquille . Sin25° − m foreuse + m tige + m roue . g − F r.roue − F r.roul+ F r.dissip = 0F r.roue + F r.roul − F r.dissip= −42,2 Kg+ 2,702 Kg+ 15 Kg . 9,81 + 2000. Cos25°F r.roue + F r.roul − F r.dissipOn applique la somme des moments selon F := 1224,97 N M F = 0• FE. (F r.roue + m roue . g) + FD. m tige . g + FB. F r.roul + FA. m foreuse . g − F béquille . Sin25° = 0• FE. F r.roue + FB. F r.roul = −FE. p roue + FD. p tige + FA. p foreuse . g + FA. F béquille . Sin25°• FE. F r.roue + FB. F r.roul = −0,4706 m . 15 Kg + 0,5112 m . 2,702 Kg + 1,022 m . 42,2 Kg . 9,81 m ⁄ s 2 + 1,022 m . 2000 N . Sin25°FE × F r.roue + FB × F r.roul = 357,95 N. m0,47 × F r.roue + 0,69 × F r.roul = 357,95 N. mOn applique la somme des moments selon B : M B = 0• BBBB × m tige . g + BE × (F r.roue + m roue . g) − BF × F r.dissip − BA × m foreuse . g − F béquille . Sin25° = 0• BE × F r.roue − BF × F r.dissip = −BBBB × m tige . g + BA × m foreuse . g − F béquil le . Sin25° = 0• BE × F r.roue − BF × F r.dissip =(−0,178 m × 2,702 Kg + 0,333 m × 42,2 Kg ). 9,81 m s 2 ⁄ − 0,333 m × 2000 N . Sin25°BE × F r.roue − BF × F r.dissip= −148,36 N. m0,218 × F r.roue − 0,69 × F r.dissip = −148,36 N. mOn se retrouve alors avec trois équations, trois inconnues.Zouhair Britel Hiver 2010 117Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleÀ l’aide de Matlab, on trouve :1 −1 1 0,47 0 0,69 0,218 −0,69 0F r.roueF r.roueF r.dissipF r.roul317820 NNF r.dissip = 100630 NN F r.roul −215970 NN1224,97 = 357,95 −148,36216,4 KN216,37 KN0,431 K N0,0406 my0.333154 m0,689 m0,47 m100,6 KNx149,1 KN.m8,7848 KN.m0,143 KN.mA B C D FOn a la somme des forces selon z : F y = 0TT ffffffffffffff + TT pppppppppp − RR 1zz.pppppppppppp − RR 2zz.pppppppppppp = 0Avec :RR 1.pppppppppppp= RR 2.pppppppppppp (Symétrie par rapport à l’axe de la roue)Zouhair Britel Hiver 2010 118Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleTT ffffffffffffffTT pppppppppp= MM ffffffffffffffrr rrrrrrrr= MM pppppppppprr rrrrrrrr× CCCCCCØ× CCCCCCØComme dans la section précédente, on prend MM ppppppppppEt on a r roue = 15,76 cmAinsi := 50 NNTT ffffffffffffff= 400 NN.mm0,1576 mm× CCCCCC7,84 = 2514,35 NNTT pppppppppp = 50 NN.mm0,1576 mm× CCCCCC7,84 = 314,3 NNRR 1zz.pppppppppppp = RR 2zz.pppppppppppp = TT ffffffffffffff + TT pppppppppp2= 2514,35 NN + 314,3 NN2= 1414,32 NNLes réactions selon x-z sont négligeables par rapport à x-yPar conséquent, la section la plus sollicitée est en CAvec M c =149, 1 KN.m (Contraintes de flexion)Et T = 400 N.m (Torsion constante)Théorie Von Mises-Henckyσ xa = 32Mπd 3 , τ xza = 0σ a = σ xa 2 + 3 2 xza = σσ xxxx =σ xm = 032 MMππdd 3τ xzm = 16Tπd 3σσ mm = σσ 2 xxxx + 3ττ 2 xxxxxx = 16√3TTππdd 3= 138 MMMMMMZouhair Britel Hiver 2010 119Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleL’acier de forage est en acier ASTM 40 avec :S aS m= σ aσ m= 32 M16√3T = 2M√3TSS aa = − SS eeSS uuSS mm + SS ee- La résistance à la rupture en traction est S ut = 293 MPa- La résistance en rupture en compression est S uc = 965 MPaσσ mmmmmm = σσ aa + σσ mmFS = SS uuuuσσ mmmmmmZouhair Britel Hiver 2010 120Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleAnnexe E : SoumissionsZouhair Britel Hiver 2010 121Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleInstallation hydraulique :Zouhair Britel Hiver 2010 122Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleTransmission par chaîne :Zouhair Britel Hiver 2010 123Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleCapteur de force :Zouhair Britel Hiver 2010 124Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleCapteur de débit :Zouhair Britel Hiver 2010 125Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleCapteur d’humidité :Zouhair Britel Hiver 2010 126Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleAnnexe F : Analyse économiqueZouhair Britel Hiver 2010 127Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleTapis 2009 :Zouhair Britel Hiver 2010 128Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleVan du projet à 40% d’augmentation du prix de facturation sur 2 ans:Le cout de facturation par heure pour la nouvelle conception va être de 40 % de plus que le tauxde facturation avant amélioration du banc d’essai, donc 228,2 $/h, donc les essais sont facturés4792.2 $ ce qui engendre une recette annuelle de l’ordre de 14376,6$.• Étape 1 : Mise de fond initial (-)M = I + MFMF=0 (aucune mise de fond additionnelle)M = 28775,5$• Étape 2 : Recettes nettes après impôts (+)Recette nette du projet = Recette nette de l’entreprise avec amélioration - Recette nette del’entreprise sans amélioration(R t - D t ) projet = (Rtt 1 - Dtt 1 )- (Rtt 2 - Dtt 2 ) avec Dtt 1 = Dtt 2 donc(R t - D t ) projet =43129,8$ – 30807$ =12322,8 $• Étape 3 : Économies d’impôt liées à l’amortissement fiscal (+)( 1+0.5r)( r + d )( 1+r)28775,5*0.3*0.309( 1+0.5*0.12)( 0.12 + 0.3)( 1+0.12)CdTE =, avec C= 28775,5$E ==E = 6010.92 $• Étape 4 : Sortie de fonds évitée (+)Non applicable2827.530.4704• Étape 5 : Sortie en fonds en cours de projet (-)Non applicable• Étape 6 : Entrée de fonds perdue (-)Non applicable• Étape 7 : Valeur résiduelle (+)PVV = , avec1( + r) nZouhair Britel Hiver 2010 129Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquille⎛ d ⎞⎜ − ⎟⎝ 2 ⎠⎛ 0.3 ⎞= 28775,5⎜1− ⎟ =17121,42⎝ 2 ⎠t−PV= SSC = C 1 ( 1−d ) 2( ) 3 −1−0.32t=n+1=2+1=3(Valeur résiduelle prévue une fois le projet fini).17121.42V =13649,09 $( 1+0.12)2 =• Étape 8 : Perte d’économies d’impôts liées a l’amortissement fiscal (-)( SSC)* d * T( r + d )( 1+r)( 2592.67)( 0.12 + 0.3)( 1+0.12)*0.3*0.309P =3012,54 $=n2 =• Étape 9 : Récupération du fonds de roulement (+)Non applicable• Étape 10 : Impôt à payer sur le gain en capital imposable (-)I( PV − )+( 1+r) 1=nOn aC TSSC ≤ CDonc Non applicable• Étape 11 : Impôt à payer sur la récupération d’amortissement (-)2( PV − )+( 1+r) 1SSC TI , Non applicable parce que SSC = PV=n• Étape 12 : Économie d’impôt liée à la perte final (+)E( SSC − PV )+( 1+r) 1=nTNon applicable parce que SSC = PVVAN = -28775,5 + 12322,8 + 6010,92 + 13649,09 -3012,39 = 194,92La VAN est positif cela signifie que l’investissement est couvert par les gains donc le projet estparfaitement rentable.Zouhair Britel Hiver 2010 130Amine Berrada

PAFE : Étude de conception d’un banc d’essai pour foreuse à béquilleAnnexe G : DessinsZouhair Britel Hiver 2010 131Amine Berrada