par rail cassé » 30 12 2014 à 22:18
Voici la petite étude, elle vous donnera aussi quelques explication ( sans trop entrer dans la technique ) sur la matière neigeuse.
Réflexion personnelle
portant sur la réalisation d’outils rotatifs de déneigement et leur application ferroviaire
Introduction
Cette réflexion prend comme référence les études menées par le docteur en sciences techniques Edwin BUCHER sur :
- Les paramètres complexes de la matière neigeuse.
- L’analyse du processus d’évacuation de la neige et les pertes de rendement intervenant à cette occasion.
-Les Considérations Techniques des différents systèmes de déblaiement de la neige élaborés suite aux deux premières études.
Cette réflexion fait aussi appel à la formation aux métiers de la neige, à la connaissance et l’expérience en mécanique de l’auteur de cette réflexion.
Cette réflexion à pour but de contribuer à la définition technique d’un outil rotatif de déneigement performant dans toutes les sortes de neiges rencontrées sur la ligne ferroviaire Saint- Gervais le Fayet – Vallorcine.
Cet outil rotatif devant être adapté sur un engin ferroviaire.
1/ Résumé succin des études menées par le docteur BUCHER .
A/ Les paramètres complexes de la matière neigeuse :
a- Pour la première fois, le docteur BUCHER pris en compte l’étude de la matière neigeuse pour l’élaboration d’un outil de déneigement. Il en déduit que bon nombres d’engins de déneigement étaient inefficaces car il ne prenaient pas en compte pour leur élaboration les facteurs qui rendent la matière neigeuse très complexe.
b- Ces facteurs sont les suivants.
Les molécules constituant cette matière.
Les différents processus de liaison des molécules de cette matière entre elles.
Les déformations de cette matière.
Les différentes densités de cette matière.
c- Le docteur BUCHER, suite à cette étude en déduit que pour la réalisation de l’outil idéal, la prise en compte des 4 facteurs sus cités est obligatoire.
Le quatrième facteurs pose d’énormes problèmes pour trouver le rendement efficace de l’outil.
Explication La matière neigeuse pourtant constituée d’eau est compressible et est une matière dont la densité peut variée dans un rapport de 1 à 30.
Exemple : La densité de la neige froide et fraîche peut pesée 30 kg le mètre cube, alors que pour un même volume, la glace non poreuse pèse 900 kg .
Le docteur BUCHER décide de chercher les causes qui font que la matière neigeuse peut avoir différentes densités et en retiendra les plus importantes pour l’élaboration de l’outil rotatif capable de travailler dans toutes les neiges.
Les causes les plus intéressantes faisant changer la densité de la neiges sont les suivantes :
1/ L’attente avant le déneigement provoque le tassement naturel de la matière et l’on trouve souvent de la neige dure dans la sous couche constituant la même chute. La densité est faible en surface, plus grande en sous couche. Plus cette couche est épaisse, plus le poids est important.
2/ Le froid provoque le resserrement de la couche de matière sans que les molécules constituant la couche d’une même chute aient une très bonne cohésion. La densité est faible
3/ Le vent provoque un phénomène de friction des molécules de matières, celle ci se réchauffent légèrement en se frottant les unes contre les autres et cela favorise les points de cohésion des molécules de matière entre elles. Les points de cohésion entre les molécules sont rigides mais restent fragiles.
On trouvera de la neige dure sur la totalité de la couche de matière ( Congères, plaques formées par la vent ). La densité est moyenne .
4/ La pluie et la chaleur ont pour effet d’accroître fortement la densité de la matière en augmentant le nombre de points de cohésion entre les molécules.
De plus, la forte cohésion a pour effet de chasser l’oxygène contenu entre les molécules et de le remplacer par de l’eau.
Ce phénomène amène la matière à son point de fusion. ( Fonte de la matière neigeuse. Neige mouillée, lourde et mole. )
La densité est très grande. Environ 400 kg /m3.
5/ Le regèle provoque le durcissement de la matière, mais ce processus peut donner deux résultats différents suivant si la fusion de la matière à été atteinte ou seulement approchée. Dans les deux cas, la matière neigeuse regelée s’appelle de la glace.
La glace poreuse : Quand le regel intervient sur une matière dont le points de fusion à été seulement approché, il reste de l’oxygène entre les molécules constituant la matière. Les liaison entre les molécules sont fragilisées et deviennent cassantes, et le peu d’eau emprisonnée dans la matière reste collée par capillarité autour des molécules.
Cella forme des grains de glace ayants très peu de cohésion entre eux. ( Gobelets, roulements à billes )
On trouvent la glace poreuse dans les vieilles neige, en basse couche et certaines fois entre différentes couche.
Tout en étant de la glace, cet aspect de la matière a une densité moyenne. Environ 200 kg / m3.
La glace non poreuse : Quand le regel intervient sur une matière neigeuse dont le point de fusion à été dépassé, l’oxygène contenu dans la matière a été remplacé par de l’eau. Les liaison entre les molécules sont très nombreuses et sont renforcées par l’effet du regel. Cela forme une matière compacte et très solide difficile a travailler. La densité de cette aspect de la matière neigeuse peut varier de 500kg /m3 à 900 kg / m3.
6/ Dans les processus de transformation de la matière neigeuse, il reste une cause qui augmente fortement la densité et la résistance de la matière neigeuse. Dans sa finalité, cette cause peut transformer la matière en glace non poreuse.
Pour le docteur BUCHER, cette cause de durcissement de la matière doit obligatoirement être prise en compte sous peine de voir le travail de la matière très difficile à accomplir. De plus cette cause n’étant pas naturelle, mais d’origine mécanique, sa prise en compte lors du travail de la matière doit être aisé.
Explication : Toutes les matières subissent une déformation si l’on exerce une pression dessus. Une fois la pression relâchée, certaines matières reprennent leur forme et d’autres non.
C’est ce qui différencie les matières élastiques et les matières plastiques.
La matière neigeuse est classée dans les matières plastiques car elle ne reprend pas sa forme après avoir subi une pression mécanique. ( ex : les traces de pas laissés quand on marche dans la neige.)
Cette pression mécanique crée une compression de la matière en un point donné, ce qui la durcie et augmente sa densité. (Ex : la boule de neige.)
C’est le nombre répété de pressions mécaniques en un même point de la matière qui augmente la dureté et la densité en chassant l’oxygène contenu dans la matière. Ce mécanisme de répétition abaisse artificiellement le point de fusion de la matière neigeuse. Cela peut créer de la glace non poreuse.
Cella s’appel tout simplement le tassement ou le damage de la matière neigeuse.
B/ L’analyse du processus d’évacuation de la neige et les pertes de rendement intervenant à cette occasion.
1/ L’analyse du processus d’évacuation de la neige.
Pour analyser ce processus, le docteur BUCHER s’inspira des mouvements effectués par l’homme quand il déneige avec une pelle et les décomposa.
1- Entrer la pelle dans la matière.
2- Briser ou désagréger une partie de matière du reste du manteau neigeux.
3- Lever et ramener la matière vers soit. ( début de l’accélération de la vitesse de la matière )
4- Jet de la matière au loin en la faisant glisser de l’intérieur vers l’extérieur de l’outil, ce qui provoque l’accélération de la vitesse d’éjection de la matière.
Le docteur BUCHER affirme que l’outil rotatif de déneigement doit obligatoirement avoir la même cinétique et la même douceur de mouvement que le geste humain pour être efficace dans toutes les sortes de neiges.
La cinétique des parties mécaniques de l’outil rotatif doivent effectuer en douceur les mouvements suivants :
1- L’engin rentre l’outil rotatif dans la matière.
2- Les parties extrêmes de l’outil rotatif désagrègent et se saisissent en douceur d’une partie de la matière du reste du manteau neigeux.
3- Les parties extrêmes de l’outil rotatif lèvent et ramènent la matière vers l’intérieur de l’outil.
4- Les parties rotatives de l’outil éjecte la matière au loin.
2/ Les pertes de rendement intervenant à cette occasion.
Le docteur BUCHER démontra que les facteurs suivants peuvent nuire a l’outil rotatif de déneigement et baisser grandement son rendement :
1- La compression mécanique de la matière par pression de l’outil sur la matière elle même. ( Tassement de la matière devant ou dans l’outil ).
2- Les frottements de la matière sur l’outil. ( Baisse de l’avance de l’engin portant l’outil + baisse de la vitesse des parties rotatives de l’outil ).
3- Les frottements et pressions mécaniques de la matière sur elle même provoqué par l’outil. Bourrage de la matière dans l’outil provoquant des cisaillements amenant la matière à subir des pressions mécaniques répété toujours au même endroit.
Cela peut provoquer l’apparition de glace non poreuse dans l’outil.
4- Les frottements externes peuvent modifiés l’avance de l’engin et provoquer des cisaillements à l’extérieur de l’outil. la résultante de ces cisaillements provoquent l’apparition de glace non poreuse sur les flancs externes de l’outil.
C/ Les Considérations Techniques des différents systèmes de déblaiement de la neige élaborés suite aux deux premières études.
La prise en compte de ces deux études, ont eu pour finalité l’étude et la création d’un outil rotatif pour le déneigement performant appelé la Turbo – Fraise.
Mais pour obtenir cet outil, Le docteur BUCHER dû réétudier différents systèmes déjà existants. Ceci lui permis de classer les outils rotatifs pour le déneigement dans 4 familles suivant leur type et leurs performances. De valider leur rendement respectif dans les différentes sortes de neige.
Ces outils sont les suivants :
Les turbines frontales
Les centrifugeuses à socs
Les fraises à neiges
Les turbos fraises
Il tira les enseignement suivant pour les trois premières familles d’outils rotatifs.
1 / Les turbines frontales
Dans cette famille d’outil, la partie rotative se situe perpendiculairement au sens d’avance de l’engin portant l’outil rotatif de déneigement.
La partie rotative s’appelle turbine, il peu y en avoir une seule de grand diamètre ( système LESLIE ) ou deux identiques de plus petit diamètre.
La ou les turbines sont constituées de pales orientées
La ou les turbines se chargent à elles seules d’accomplir les 4 mouvements nécessaire à l’évacuation de la neige.
Elles sont enchâssées dans un rectangle en forme d’entonnoir pour guider la matière devant la ou les turbines.
Par obligation géométrique, il subsiste des coins morts au niveau des 4 angles du support de la turbine qui lui est rectangulaire. Cela crée des compressions de la matière neigeuse devant ces coings morts. ( tassement ).
De plus, on constate un phénomène de cisaillement de la matière au niveau de ces angles, cela provoque des frottement de la matière sur l’outil. L’ évacuation de la matière de ces coings morts est rendue difficile par le refoulement de la matière aux abords externes de la turbine . Cela crée des frottements de la matière sur la matière elle même. Ce qui provoque le bourrage de la turbine. De plus, la matière se trouvant au niveau de l’axe de rotation n’est pas travaillée à la même vitesse que la matière se trouvant à l’extrémité des pales. Cela engendre un tassement mécanique de la matière neigeuse au niveau de l’axe de rotation, des frottements se produisant à cet endroit de l’outil et peuvent abaisser la puissance de rotation réclamée par l’outil.
Dans les neiges de grande densité le passage de la matière entre la section rectangulaire et la section circulaire est rendu très difficile. Compression de la matière devant la turbine et frottements de l’outils rotatif sur la matière. ( Bourrage de la turbine )
Ces résistances augmentent avec l’accroissement de la densité de la matière neigeuse et cela grève lourdement le rendement de l’outil.
Ces turbines frontales équipent uniquement des engins ferroviaires, car il faut à l’engin moteur une très grande force motrice doublée d’une grande adhérence de ses roues motrices. Une très grande solidité de construction des organes de cet engin est obligatoire pour pouvoir contrer les inconvénients de se système d’outil rotatif.
Cet outil rotatif est efficace dans les neiges de faible densité ( neige fraîche. ). L’éjection de la matière est très performante dans ce cas là. Le rajout d’artifices pour désagréger la matière de plus grande densité devant la turbine améliore sensiblement le rendement de l’outil mai cela ne supprimera pas les défauts géométriques de ce système.
2/ Les centrifugeuses à socs
L’idée de désagréger la matière avant quelle soit happée par une turbine fait son chemin.
Pour ceci, il faut deux éléments différent pour effectuer les 4 mouvements nécessaire à l’évacuation de la neige.
Cet outil se compose d’un soc ressemblant à une charrue double de labour encadré de part et d’autre d’une centrifugeuse d’éjection de la matière. Une lame de chasse neige encadrée par deux turbines transversales.
Cet outil a un rendement moyen car la géométrie de cet engin rotatif, notamment au niveau de la liaison du soc et des centrifugeuses n’est gère plus favorable aux turbines rotatives. Des compressions de la matière se produisent sur le soc et des cisaillement apparaissent au contacte avec les centrifugeuses. Ces centrifugeuses doivent travailler une densité de matière neigeuse ayant déjà subie une transformation de ses molécules. Même si ces centrifugeuses sont prévues pour évacuer ce type de neige, le tassement de la matière par le soc abaisse sensiblement le rendement de la rotation de ces centrifugeuses. Comme pour les turbines rotatives, le besoin de puissance de rotation en un endroit clé de l’outil rotatif est modifié.
L’avance de l’engin supportant cet outil soufre des mêmes contrainte que les turbines rotatives. De plus, si cet outil peut déblayer tous les types de neiges avec son soc, les turbines sont vite obturées si la densité de la matière est trop faible ( Poudreuse ).
3/ les fraises à neige
Ce type d’outil se constitue de plusieurs turbines transversales montées cote à cote. ( 2 ou 4 turbines )
Ces turbines travaillent dans le sens d’avance de l’engin supportant l’outil tournants de haut en bas.
Ces turbines sont constituées d’un rouleau sur lequel est rapporté perpendiculairement un nombre de pelles
servants à séparé la matière neigeuse, au prélèvement, à l’accélération et à l’éjection de cette matière par une cheminé placée au dessus dans le plan vertical de ces pelles.
Cet outil doit tourner rapidement pour être efficace. Cet outil travail comme une fraise d’usinage.
Comme une fraise d’usinage, cet outil rotatif usine la matière par prélèvement de copeaux.
Dans le cas du travail de la matière neigeuse, plus la densité de la matière sera élevée, plus le rendement de l’outil sera bon.
Dans le cas de faible densité de la matière notamment dans la neige fraîche, la vitesse de rotation très élevée de cette turbine engendre un contacte outil matière trop fort et trop rapide, ce qui provoque des compressions de la matière devant l’outil rotatif.
Le bourrage de l’outil intervient rapidement par le manque de puissance réclamé par l’éjection. ( Dépression empêchée par le bouchon de matière compressé devant l’outil.) et des compressions de la matière sur elle même à l’arrière de la turbine.
L’avance de l’engin portant est bonne si la densité de la matière est élevée. Cet outil rotatif est
Performant surtout dans les vielles neiges.
Sa simplicité de construction et sa légèreté en fait un outil rotatif facile à installer sur un véhicule routier.
Le résumé de l’analyse de ces trois familles d’outils rotatifs nous amène aux conclusions suivantes :
L’utilisation d’outils rotatifs de type turbine frontale est satisfaisante dans la matière de faible densité. Bon rendement du travail d’évacuation seulement dans les neiges légères.
L’utilisation d’outils rotatifs de type fraise est satisfaisante dans la matière de forte densité. Bon rendement du travail d’évacuation seulement dans les vielles neiges.
Le couplage de deux éléments pour évacuer la matière neigeuse est une bonne idée, mais les centrifugeuses à soc serons très peu développées. La densité de matière étant trop transformée au cour de son parcours dans l’outil, l’éjection de cette matière réclamais énormément de puissance pour être correcte. Cet outil est de nos jour abandonné.
Les questions que se posa le docteur BUCHER suite à cette étude des outil existants lui permis l’étude d’un outil capable de travailler et d’évacuer toutes les densités de neiges. Sa réflexion porta sur la réunion de la turbine et de la fraise sur un même outil car pour lui.
L’étude qui va suivre aura pour finalité la création d’outils réellement performants et toujours très utilisés de nos jours.
La Turbo Fraise
Il existe plusieurs types de turbo fraise que nous pouvons classer en deux familles :
1- Système SNOW GO et SICARD
2- Système SNOW BOY et ROLBA JEEP
Les différents systèmes de TURBO FRAISE fonctionnent tous de la même façon.
La différence entre les systèmes SNOW GO, SICARD et les systèmes SNOW BOY, ROLBA JEEP se trouve dans la forme des tarières qui sont évidées entre les socs constituant les pelles d’attaque de la matière dans le système SNOW BOW et ROLBA JEEP. Ce qui évite la formation de glace entre les socs enroulés
elliptiquement sur les tarières.
La cinétique de cet outil rotatif est la suivante : Les deux tarières situées perpendiculairement au sens d’avance de l’engin tournent de haut en bas. A l’arrière des tarières et située au centre de l’outil se trouve une turbine frontale servant uniquement à éjecter la matière au loin.
Les socs enroulés elliptiquement sur ces tarières se chargent de désagréger et de séparer une partie de la matière du reste du manteau neigeux. La matière est poussée par ces socs enroulés de l’extérieur vers le centre de l’outil en faisant un demi tour autour de la tarière pour être amenée devant la turbine d’éjection. Ce mouvement de demi tour alimente continuellement la turbine d’éjection en matière sens faire varier la densité de cette matière. Ceci est un grand progrès pour un outil rotatif de déneigement utilisant deux composants pour effectuer ce travail.
Le docteur BUCHER en décryptant la cinétique de cet outil observe bien le trajet de la matière dans se système.
Les 4 phases de cette cinétique sont très rapides tout en travaillant toutes les différentes densité de matière avec douceur.
Pourtant, un problème subsiste dans la troisième phase de la cinétique de l’outil. C’est le temps de parcourt de la matière pendant son demi tour dans les tarières en suivant un trajet de l’extérieur vers l’intérieur pour amener la matière devant la turbine. Cette phase de la cinétique est beaucoup plus longue que les trois autres et a pour inconvénient la baisse de rendement de l’outil rotatif.
Cette baisse de rendement se traduit par les faits suivants :
1/ Faible vitesse d’avance de l’engin portant l’outil rotatif.
2/ Obligation de réduire la vitesse d’avance de l’engin portant l’outil rotatif par rapport au cubage de matière à évacuer devant l’outil.
3/ Risque de blocage de l’outil rotatif par l’apparition de compression de matière dans l’outil. Ces compressions apparaissent suite aux pressions mécaniques répétées par l’outil en cas de vitesse d’avance de l’engin mal adaptée. ( vitesse d’avance trop rapide ).
4 / Risque de patinage de l’engin portant l’outil rotatif dans la matière de forte densité. ( Glace )
Seul les grosses TURBO fraises montées sur des engins routiers peuvent travailler la matière de forte densité. L’avance de l’engin portant cet outil est très faible.
De nos jours, aucune solution n’a été mise au point pour résoudre ce problème.
Ces inconvénients majeur font que ce type d’outil rotatif est très peu utilisé sur du matériel roulant ferroviaire. Il est trop lent
2/ Réflexions personnelles portant sur l’amélioration du rendement des turbos fraises pour une éventuelle utilisation ferroviaire
Sans avoir la prétention de résoudre complètement les inconvénients de la turbo fraise, quelques pistes sont à explorée pour permettre une vitesse plus élevée de l’engin tout en gardant les avantages de se système à travailler et évacuer la matière neigeuse efficacement.
Pour une utilisation de la turbo fraise dans le domaine ferroviaire, il faut faire disparaître le paramètre qui conduit à une faible vitesse de l’engin portant l’outil rotatif de déneigement. Pour arriver à ceci, il faut trouver une solution pour diminuer le temps de trajet de la matière dans les tarière.
Etudions quelques pistes :
Augmentation de la vitesse de rotation des tarières :
Création de chocs entre les tarière et la matière, ce qui engendre des pressions mécaniques devant l’outil rotatif au risque de nuire au processus du deuxième mouvement de la cinétique de l’outil qui est le prélèvement de la matière.
La matière risque de ne plus faire seulement un demi tour dans les tarières, mais un tour complet et de se retrouvée devant l’outil.
Déséquilibre de la proportionnalité de la vitesse de rotation des tarières par rapport à la vitesse de rotation de la turbine d’éjection.
Bourrage de matière dans l’outil par frottement de la matière sur la matière elle même et compression de la matière par pression mécanique.
Augmentation du diamètre des tarière.
Cela produit les mêmes effets que la première solution par le déséquilibre de la proportionnalité de vitesse de rotation entre les deux éléments rotatifs de l’outil.
Changement de la valeur de l’angle des socs enroulés en forme d’ellipse sur les tarières.
Cela rallonge le temps de parcourt de la matière dans les tarières si l’angle est trop fermé.
Apparition de pressions mécaniques sur la matière si l’angle est trop ouvert nuisant au deuxième mouvement de la cinétique de l’outil.
Réduction de la largeur des tarières
C’est l’une des piste qui peut amener à trouver une solution.
La matière, mettra moins de temps pour aller d’une extrémité à l’autre des tarières .
Le principale défaut se traduira par une largeur de travail réduite et qu’il faut augmenter légèrement la vitesse de rotation de la turbine d’éjection de la matière pour un débit correcte de l’éjection.
L’étude de ces quelques pistes, prouve encore une fois que les turbos fraises peuvent faire du bon travail dans toutes sorte de neige mais qu’une nouvelle fois, la prise en compte du volume de matière à évacuer est plus importante dans cette famille d’outils rotatifs.
Cela doit une nouvelle fois nous amener à repartir de zéro et prendre en compte le travail d’un homme muni d’une pelle à neige.
Pour une surface connue, un homme doit en un temps donné évacuer un certain volume de matière.
Doit t’il travailler plus vite ?
Doit t’il se servir d’une pelle plus grosse ?
Dans ces deux cas, la puissance demandée engendrera une baisse de rendement due à la fatigue.
La question à se poser est : si il faisaient ce travail à deux, que se passerait t’il ?
Sur cette surface connue, le volume de matière sera évacué deux fois plus vite tout en gardant le même rendement pour chaque homme. Le travail avance plus vite, l’évacuation se calcul en m3/ heures ou en poids par heures.
Cette réflexion, me fait dire qu’il faut réunir deux turbos fraises sur un même outil rotatif.
C’est certainement cette solution d’utiliser des tarières moins larges, qui peut permettre à l’engin portant l’outil rotatif d’avancer plus vite. C’est le but recherché pour le domaine ferroviaire.
1/ Etude préliminaire
-Turbo Fraise double s’inscrivant dans la même largeur de travail qu’une turbo fraise simple
Le volume de matière à évacuer devant l’outil se fait deux fois plus rapidement, ceci doit permettre à l’engin portant l’outil rotatif d’avancer plus vite.
On se rend compte sur ce schéma que le diamètre des turbines est le même que pour une turbo fraise simple.
Ces turbines doivent pouvoir évacuer une quantité de matière plus importante et plus rapidement du au fait d’une largeur des tarières réduite.
Pour éviter toute compression de matière devant la turbine, il faut l’équiper d’augets de plus grande capacité et la faire tourner légèrement plus vite.
L’éjection de la matière se faisant aussi par un effet de souffle, il peut être intéressant de mieux désagréger les particules de matière devant la turbine en équipant les angles des pales d ‘éjection avec des dents aiguisées.
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Pas très efficace non, mais les Allemand déneigeaient une ligne minière avec ce genre du système. La turbine devait souffler plutôt que (essayer de) chauffé.
