Département de Génie Mécanique 2006 A VV AA NN TT P PR RO O JJ E ET T N N° 1 Motorisation convoyeur de bobines Description rapide : Proposer une ou plusieurs architecture(s) du système de propulsion Proposer les solutions techniques envisageables Proposer un rapide dimensionnement en puissance des éléments du système Analyser la possibilité de fournir une énergie hydraulique commune pour la fonction de propulsion et de levage Donner un avis sur la solution qui semble convenir au mieux I. Introduction Le convoyeur de bobines est utilisé dans la chaîne de production, comme un moyen de transporter de manière semi-automatique, des bobines d’aluminium depuis l’aire de stockage jusqu’aux deux dérouleuses. Il doit s’adapter à un équipement génie civil existant et satisfaire un cahier des charges. Le but de cet avant projet est de réaliser une pré étude quant à la propulsion de ce convoyeur. II. Cahier des charges On rappelle rapidement l’énoncé du cahier des charges concernant les performances désirées du système de propulsion : Cadences : 35 manœuvres/jour Vitesse de déplacement : Vmax = 0.06 m/s Fonction : déplacement le long du rail Un des galets du convoyeur doit être directeur Sources d’énergie possibles : o Courant triphasé o Pneumatique o Autres sources autonomes Garde au sol maximum : 400mm Même source d’énergie pour le convoyage et le levage Si un moteur est utilisé, il sera embarqué sur le convoyeur Durée de vie estimée : 50000 heures (24h/24 , 7j/7) III.Architectures réalisables A. Architecture 1 : puissance électrique puissance mécanique L’énergie utilisée est le courant triphasé au travers d’un conducteur de puissance se B. afin de suivre le convoyeur. Elle est transformée directement en énergie déroulant mécanique utilisable par l’intermédiaire d’un moteur électrique puis transmise, adaptée et enfin appliquée à la charge. Architecture 2 : électrique hydraulique mécanique L’énergie utilisée est le courant triphasé au travers d’un conducteur de puissance se déroulant afin de suivre le convoyeur. Elle est transformée en puissance hydraulique au travers d’une pompe hydraulique, distribuée puis transformée sous forme d’énergie mécanique par l’intermédiaire d’un moteur hydraulique. Enfin, l’énergie est adaptée pour être transmise à la charge. C. Architecture 3 : pneumatique mécanique L’énergie utilisée est pneumatique acheminée à bord du convoyeur par l’intermédiaire d’un flexible suivant l’engin. Le reste de l’architecture est classique. IV. Solutions techniques envisageables A. Définition des besoins à partir du CDCF En utilisant ces paramètres : Etude de la partie puissance du convoyeur - déplacement du convoyeur Données techniques (non modifiables) Vmax = Masse virole = Masse bobine = Masse totale = 0,06 326 8644 8969 m/s kg kg kg Largeur voie = Excentration charge = Pression pneumatique = Durée de vie = 1740 450 600000 50000 mm mm Pa h Paramètres conception Coef frottement rail/roue = Rayon roue motrice = 0,1 100 mm réduction transmission = couple moteur Cm = 1 110 N.m Couple frein 44 N.m Paramètres spatiaux des points d'appui et du centre de gravité supposé OG 0 mm 0 mm 2000 mm OP -1000 mm 0 mm 0 mm OA1 1000 mm 420 mm 0 mm OA2 1000 mm -1320 mm 0 mm z z G x A1 O A1 P A2 O y On obtient : Etude de la partie puissance du convoyeur - déplacement du convoyeur Statique du robot Réactions aux appuis En A1 0 0 21997,26 En A2 N 0 0 21997,26 En P N 0 0 43994,51 N Effort tangentiel maxi Ta (max) = 1099,86 N Couple maxi transmissible C (max) = w (max) = 109,99 5,73 N.m rpm Dynamique du robot Accélération max = Temps vitesse désirée = Distance parcourue = 0,164 0,367 0,012 m/s² s m Décélération max = Temps arrêt = -0,065 0,917 m/s² s = On constate qu’avec un poids total (bobine + convoyeur) estimé à 1.5 Pbobine soit 13450 kg, un coefficient de frottement entre la roue et le rail de 0.1 (acier/acier) et un rayon de roue de 40mm, on arrive à un couple maximal transmissible de 44 Nm environ. Ceci est une estimation faite pour un coefficient de frottement relativement faible. En première approximation, on peut dire que le moteur doit fournir 40 Nm pour déplacer l’ensemble avec la meilleure dynamique possible (tout en gardant une accélération très modérée). Au niveau du freinage (en cas d’urgence par exemple), on constate que l’on peut stopper le convoyeur en 2.3 cm seulement en émettant l’hypothèse que le couple de freinage est égal à la moitié du couple moteur. La puissance motrice nécessaire est donc (en première approximation) estimée à : V 1 1 0.06 1 P max Cmax max Cmax 40 75W méca rroue méca 0.04 0.8 B. Architecture 1 La puissance mécanique est directement issue de la conversion de l’énergie électrique en énergie mécanique par le biais d’un moteur électrique suivi d’un ensemble transmission réduction. 1. Transmission La transmission est placée directement sur l’arbre de sortie du moteur puis va vers le réducteur. Cela se justifie par le fait que la vitesse de rotation sera plus élevée (donc un couple faible) réduisant les dimensions de l’arbre de transmission. Dans ce pré dimensionnement, la technologie utilisée n’a pas d’importance. 2. Réducteur La gamme de vitesse des moteurs – frein de Leroy Somer est aux alentours de 2800 rpm – 3000 rpm contre environ 14.3 tours par minute au niveau de la roue du convoyeur. C’est pourquoi, il est nécessaire d’utiliser un réducteur à grand rapport de réduction. En effet 2800 195.8 ce qui représente une très grosse réduction. 14.3 Exemple : si on désirer effectuer cette réduction avec deux trains épicycloïdaux de type I en série, il nous faut une réduction par train de 14 environ. Soit e s 14 e s 13 s e 13 on retrouve la formule Willis pour un train de s s type I ayant comme entrée le solaire et comme sortie le porte satellites (la couronne étant Z bloquée). La raison est couronne 13 . Si on se fixe 21 dents pour le solaire, on obtient 273 Z solaire dents pour la couronne. Le diamètre extérieur de la couronne est proche de m Z 3 273 2 o cour 1.25 mo 2 1.25 3 827mm ce qui est énorme ! Il faut donc 2 2 envisager trois trains épicycloïdaux en série afin de réduire l’encombrement ; soit 21 dents au solaire, 101 dents à la couronne pour un diamètre extérieur proche de 300 mm. Toutefois, la nettement plus coûteuse gamme de moteurs à 4 pôles et la gamme des moteurs de translation se contentent de tourner à 1400 rpm environ. Néanmoins, il serait toujours difficile d’envisager une réduction sur deux étages de trains épicycloïdaux : Zsolaire = 21 dents, Zcour = 187 dents, Dext = 580 mm environ ! Enfin, on peut facilement envisager une transmission par roue – vis sans fin afin d’atteindre facilement la réduction demandée. Ex, avec un seul filet, il ne suffit que de 200 dents environ sur la roue pour obtenir un rapport de réduction de 200. Cependant, cette solution est moins séduisante mécaniquement parlant. 3. Puissance a) Moteurs simples Le moteur doit développer (après réduction) 40 Nm au démarrage et offrir au minimum 75W (critère normalement non restrictif). Cependant, en considérant une vitesse de rotation moyenne des moteurs LS à 2000 rpm, une réduction de 143 est appliquée pour arriver à 14 rpm ; cela ramène le couple nécessaire au démarrage à 1 Nm si on tient grossièrement compte des rendements des éléments de transmission. Dans le catalogue Leroy-Somer, on peut distinguer un produit intéressant : Moteur asynchrone frein 2 pôles triphasé LS71 L – 3.5Nm – 1410 rpm A ce moteur, il faudrait y ajouter un réducteur afin d’obtenir la vitesse de 14rpm désirée. b) Moto-réducteurs Dans le catalogue Leroy-Somer on peu distinguer : Motoréducteur roue-vis sans fin Multibloc 2100 triphasé 63 – 14rpm – 840W Motoréducteur à planétaire Planibloc 2000 triphasé – 71 – 15.2 rpm – 250 W Motoréducteur à engrenages hélicoïdaux Compabloc Cb1503 – 14rpm – 940W Motoréducteur orthobloc 2000 – 71 – 14 rpm – 180W On constate donc que la gamme de motoréducteurs Leroy-Somer est bien adaptée à notre problématique. C. Architecture 2 D. Architecture 3 Cette architecture ne semble pas, au premier abord, très adaptée au problème. Toutefois, il est bon de déterminer dans quelle mesure cette solution est inadaptée. Généralement, ces types de moteurs ont une vitesse de rotation en sortie d’arbre relativement élevée (jusqu’à 11000 rpm par exemple) ce qui rend impossible leur utilisation. Toutefois, on peut trouver des moteurs ayant une vitesse de sortie faible pour un couple élevé. Exemples : Ferry série 100 N11616 – 18.2Nm au démarrage – vitesses optimales : 55 à 245 tr/min. Avec une faible réduction de 4, il est possible d’utiliser ce moteur. Cependant, cela nécessite une pression d’alimentation de 3 bars min et d’un débit volumique de 3 l/s à 6 bars. Ferry série 200 NF2242424C – 50Nm au démarrage – 12 à 50 rpm. Ce moteur correspond exactement à nos besoins ! Il est compact et léger. Débit nécessaire : 6l/s à 6 bars. AtlasCopco : divers modèles : 9l/min Au final on peut dire que la solution pneumatique est plus séduisante qu’elle ne paraissait au premier abord. Toutefois, ce sont maintenant les exigences d’alimentation en air comprimé qui peuvent poser problème ! En effet, il faut un minimum 3.5 l/s à 6 bars et 3 l/s à 4bars pour garantir un fonctionnement optimal. Ces paramètres sont donc à vérifier. Néanmoins, ces moteurs ont de solides atouts : Compacité remarquable Couple au démarrage élevé Vitesses de rotation adaptées (ou peu de réduction nécessaire) Aucune interface de puissance à réaliser