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TD : TORSEUR CINEMATIQUE GENIE MECANIQUE PREMIERE ANNEE TSI P a g e 1 sur 5 CEN

TD : TORSEUR CINEMATIQUE GENIE MECANIQUE PREMIERE ANNEE TSI P a g e 1 sur 5 CENTRE CPGE LYCEE OMAR IBN ABELAZIZ, OUJDA TD4. Chargement et déchargement des cargos porte-conteneurs : I Performances et architecture des grues I.A - Le rôle des ports dans le transport mondial des marchandises Le transport des marchandises (hydrocarbures, charbon, agroalimentaire, ciment, matériaux de construction, biens de consommation. . .) à travers le monde est incontournable dans l’économie moderne. Excepté les matières premières, ces marchandises sont envoyées par conteneurs. Au port de Marseille (premier port français), 950 000 conteneurs transitent chaque année, soit 9 millions de tonnes de marchandises et 1 300 navires. Les conteneurs sont des boites standardisées, d’une masse maximale de 40 tonnes, permettant de transporter des marchandises du fournisseur au client par navire, train, camion, voire par avion, sans déballer la marchandise. Les navires « post-panamax » sont les plus gros navires de transport et peuvent embarquer jusqu’à 13 000 conteneurs. Figure 1 Cargo porte-conteneurs et grues de chargement–déchargement Pour rejoindre sa destination finale, un conteneur changera plusieurs fois de navire. Il sera déchargé puis rechargé par des grues dans des plateformes portuaires, véritables « hubs » du réseau maritime. Le temps d’immobilisation des navires à quai est donc un paramètre important du coût du transport. Ainsi les deux prestations principales attendues pour la grue sont la sécurité des hommes et des marchandises et la cadence de transfert. La figure 2 et le tableau 1 donnent les caractéristiques du cahier des charges partiel de la phase de déchargement. − FS1 : déplacer les conteneurs du navire vers les camions de transfert ; − FS2 : assurer la sécurité du contenu du conteneur ; − FS3 : fonctionner malgré des conditions météorologiques difficiles ; − FS4 : assurer une cadence de transfert suffisamment rapide. Figure 2 Diagramme partiel des interacteurs TD : TORSEUR CINEMATIQUE GENIE MECANIQUE PREMIERE ANNEE TSI P a g e 2 sur 5 CENTRE CPGE LYCEE OMAR IBN ABELAZIZ, OUJDA Tableau 1 Cahier des charges partiel de la grue de chargement/déchargement L’objet de ce sujet est la validation de quelques-unes des performances qui contribuent à la réalisation de ces prestations. Le contexte est celui du port de Fos, l’un des deux quais de déchargement du port de Marseille. Il est équipé de 13 grues de chargement–déchargement, pour cargos de type « post-panamax », fonctionnant 23 heures sur 24, 7 jours sur 7. Il y a quelques années, les équipements étant devenus vétustes, le port a engagé la modernisation des chaines de motorisation et des systèmes de commande des grues pour en améliorer la fiabilité et la cadence. Ce sujet s’inscrit en partie II et partie III dans cette démarche de validation des nouveaux équipements en vérifiant la stabilité mécanique de la grue sur ses appuis et en étudiant le risque de basculement lors du levage des conteneurs et par grand vent, et se poursuit par une étude prospective de l’automatisation du pilotage des grues dans la partie IV. I.B - Architecture d’une grue et performances souhaitées des nouvelles motorisations Les grues (voir figure 3) sont constituées d’un portique (structure métallique) dont les quatre pieds peuvent se déplacer sur deux rails, d’un chariot de levage et d’un « spreader » (voir figure 5), situé à l’extrémité des câbles, permettant de s’arrimer au conteneur par un verrouillage aux quatre coins supérieurs. Chaque grue de déchargement assure trois mouvements principaux de translation du conteneur : un mouvement appelé « translation », horizontal et parallèle au quai (suivant x r ), un mouvement appelé « direction », horizontal et perpendiculaire au quai (suivant y u r ) et un mouvement de « levage », vertical (suivant z r ). Le mouvement de translation est assuré par quatre moteurs implantés dans chaque pied de la grue (soit 16 moteurs au total), permettant à l’ensemble de la grue de se déplacer le long de deux rails. Le mouvement de direction est assuré par un chariot motorisé se déplaçant sur le portique. Le mouvement de levage est assuré par un treuil et un moufle de douze câbles. Lors du déchargement d’un conteneur, le spreader est posé à plat sur le conteneur puis verrouillé (cette opération dure environ 5 s). Un premier mouvement de levage extrait le conteneur des glissières de guidage du bateau. Une fois en hauteur, le mouvement de direction déplace le conteneur du côté du quai. Il est alors posé sur un camion, déverrouillé du spreader (cette opération dure environ 5 s), puis évacué vers la zone de stockage arrière. Éléments de cahier des charges de la nouvelle motorisation − translation : vitesse maximale 1 0,75 m·s tm V − = , accélération maximale 2 0,1 m·s tm γ − = . La motorisation doit pouvoir déplacer la grue malgré une force du vent sur le portique 400 kN vent F = . La masse du portique vaut 1 080 tonnes p M = ; − direction : vitesse maximale 1 dm V 2,5 m · s− = , accélération maximale 2 0,6 m·s dm γ − = pour un chariot de masse 27 tonnes ch M = ; − levage : vitesse maximale 1 lmv V 1,65 m· s− = à vide (c’est-à-dire sans conteneur) et 1 0,75 m·s lmp V − = avec un conteneur de masse 40 tonnes c M = et un spreader de masse 10 tonnes s M = , accélération maximale 2 0,5 m·s lm γ − = . TD : TORSEUR CINEMATIQUE GENIE MECANIQUE PREMIERE ANNEE TSI P a g e 3 sur 5 CENTRE CPGE LYCEE OMAR IBN ABELAZIZ, OUJDA Q1. Estimer à 10% près le nombre de jours nécessaires au déchargement par les 13 grues d’un cargo post- panamax de 10 000 conteneurs. Pour cette estimation, le modèle retenu est celui de la figure 3, où D vaut 40 m et hc 26 m. Une hauteur moyenne des conteneurs sur le navire hc/2 = 13 m et une distance moyenne au quai D/2 = 20 m pourront être adoptées. Les transitoires d’accélération et de décélération sont négligés. Figure 3 Grue de déchargement des conteneurs À partir des performances souhaitées (cahier des charges partie I.B), un fournisseur de matériel électrotechnique a proposé dans des couts raisonnables une nouvelle motorisation pour chacun des 3 mouvements : translation, direction et levage. Le tableau 2 précise les caractéristiques principales de la solution technique. Tableau 2 Caractéristiques des motorisations proposées par le fournisseur I.C - Description des chaines de transmission de puissance de la grue I.C.1) Mouvement de translation Le mouvement de translation est guidé par 32 galets posés sur deux rails. Les 4 pieds disposent chacun de 8 galets de diamètre dg = 0,8 m, entrainés par 4 moteurs asynchrones, par l’intermédiaire d’un réducteur de rapport 1/ 80 t r = . L’architecture cinématique de chaque pied est donnée figure 4 et chacun des moteurs entraine 2 galets. I.C.2) Mouvement de direction Le chariot de direction, de masse Mch = 27 tonnes, est mis en mouvement par des câbles s’enroulant sur un tambour de diamètre dch = 0,54 m. Un moteur à courant continu entraine le tambour par l’intermédiaire d’un réducteur de rapport rch = 1/20. I.C.3) Mouvement de levage et positionnement du spreader Le mouvement de levage est assuré par 6 câbles s’enroulant sur un tambour de diamètre dl = 1,22 m. Deux moteurs à courant continu accouplés entrainent le tambour par l’intermédiaire d’un réducteur de rapport rl = 1/34. Un système de moufles élaboré (voir figure 5) permet d’orienter le spreader dans 3 directions afin de le poser à plat sur le conteneur (condition nécessaire à un verrouillage correct). Un moufle est un dispositif mécanique permettant le levage d’une charge par plusieurs brins de câbles et poulies. En phase de prise du conteneur, trois TD : TORSEUR CINEMATIQUE GENIE MECANIQUE PREMIERE ANNEE TSI P a g e 4 sur 5 CENTRE CPGE LYCEE OMAR IBN ABELAZIZ, OUJDA Figure 4 Pied de grue Figure 5 Câblage assurant le mouvement de levage et l’orientation d’un conteneur de 20 pieds vérins hydrauliques ajustent les points d’ancrage des câbles afin de déplacer en rotation le spreader avant son verrouillage sur le conteneur. En phase de déplacement, les vérins d’ancrage peuvent être libérés de façon à ne plus bloquer les mouvements de rotation du conteneur et répartir au mieux les efforts dans les câbles. Les vérins hydrauliques présentent deux modes de fonctionnement : − vérin libéré (les chambres sont dépressurisées et le mouvement de translation est libre) ; − vérin bloqué ou piloté (le déplacement est commandé par le conducteur). TD : TORSEUR CINEMATIQUE GENIE MECANIQUE PREMIERE ANNEE TSI P a g e 5 sur 5 CENTRE CPGE LYCEE OMAR IBN ABELAZIZ, OUJDA Paramétrage : − Le repère 0 0 0 0 ( , , , ) R O x y z uu r uu r uu r est lié au portique fixe ; il est supposé galiléen avec 0 z uu r l’axe vertical ascendant ; − La position du chariot telle uploads/Management/ 109-4-7-td4-torseur-cinematique-ctsup-psi-2013 1 .pdf