SCIENCES INDUSTRIELLES

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  • Les calculatrices sont autorises.

    Le sujet complet comporte 29 pages dont : 14 pages de texte de prsentation et questionnement ;

    12 pages dannexes ; 3 pages de documents rponses complter.

    Toute documentation autre que celle fournie est interdite.

    REMARQUES PRLIMINAIRES

    Il est conseill d'utiliser des feuilles de papier brouillon afin de mettre au point les dvelop-pements mathmatiques, schmas, graphes et courbes, avant de les recopier au propre sur la copie rendre.

    Il est demand au candidat de bien vouloir inscrire les rsultats et les dveloppements nces-saires aux diffrentes questions sur sa copie, en prcisant bien le numro de la questiontraite et, si possible, dans l'ordre des questions. Les rsultats attendus seront obligatoire-ment entours.

    Il sera tenu compte de la prsentation.

    C O N C O U R S C O M M U N S P O LY T E C H N I Q U E S

  • SYSTME DE LEVAGE MULTIPLES COLONNES

    Les socits de transports publics des grandes agglomrations grent des rseaux comportant des bus et/ou des tramways. Ces socits possdent des centres de maintenance ayant en charge lentretien et la rparation de leurs vhicules. Parmi ces vhicules, on peut trouver des tramways de deux types : sur rails ou sur pneus. On s'intresse ici la maintenance de tramways sur rails de type TFS (Tramway Franais Standard) : voir Annexe 1 photo 1.

    Les rames TFS sont dotes d'un plancher bas, 35 cm au-dessus du sol, sur les 3/4 de leur longueur. Dans le cadre dune opration de maintenance, il est ncessaire dintervenir sous le tramway et donc de le soulever entirement.

    Problmatique : comment soulever une rame de tramway de 45 tonnes et de 30 mtres de long une hauteur suffisante (de l'ordre de 1m70) pour raliser la maintenance des boggies et divers matriels se trouvant sous le tramway ? Le systme de levage est constitu dune armoire de commande (nomme PC) munie dun pupitre de commande, dun API (Automate Programmable Industriel), de relais et cartes de commande pour moteurs. Cette PC peut grer jusqu 10 colonnes de levage. Ces colonnes de levage (voir Annexe 1, photos 2 6) sont des units indpendantes mobiles que lon peut dplacer manuellement grce des roues escamotables. Elles sont constitues dun chariot de levage (voir Modle numrique de la colonne en Annexe 1) guid par 4 galets roulant lintrieur dune colonne (rails en tle plie). Lentranement du chariot se fait par une vis filet trapzodal (voir Annexe 1 photo 6), mise en rotation par un moto-rducteur-frein asynchrone. On met en place les colonnes au niveau de la plateforme du tramway soulever, aux endroits prvus cet effet.

    Pour soulever un tramway de 45 tonnes et de 30 mtres de long, le service de maintenance utilise 8 colonnes de levage d'une capacit unitaire maximale de 8,2 tonnes commandes simultanment (voir Annexe 1 photos 2 5). Lorsque les colonnes sont en place, on dmarre le cycle de levage : loprateur peut choisir un fonctionnement manuel ou automatique. En mode automatique, on affiche sur le pupitre la consigne de hauteur atteindre, la PC pilote alors chaque moteur des 8 colonnes jusqu ce que cette hauteur soit atteinte. Chaque colonne est quipe dun codeur incrmental informant la PC de la position du chariot de levage de la colonne. Pour un fonctionnement en toute scurit, il faut assurer une certaine horizontalit du tramway soulev : l'ensemble des points de levage doit tre compris entre deux plans parallles distants de 20 mm au maximum (coplanit).

  • DIAGRAMME PARTIEL DES INTER-ACTEURS EN PHASE DUTILISATION MONTE-DESCENTE

    FONCTIONS DE SERVICE CRITRES NIVEAUX

    Pour UNE colonne

    F.P.1 : PERMETTRE UN OPRATEUR DE SOULEVER UN

    TRAMWAY DU SOL GRCE DE LNERGIE LECTRIQUE

    HAUTEUR MAXI

    VITESSE MAXI

    CHARGE MAXI

    1700 mm

    10 mm/s

    8,2 tonnes

    F.C.1 : SADAPTER LA PLATEFORME DU TRAMWAY

    COPLANIT DES POINTS DE LEVAGE

    SURFACE DAPPUI AU CONTACT DE LA

    PLATEFORME

    cart maximum de 20 mm

    140 x 140 mm2

    F.C.2 : TRE STABLE MCANIQUEMENT

    SURFACE D'APPUI AU SOL

    RSISTANCE MCANIQUE DU SOL (pression de contact

    maxi)

    2 pieds de 600 x 200 mm2

    Padm = 8 MPa

    F.C.3 : TRE ALIMENT TENSION DE PUISSANCE

    TENSION DE COMMANDE

    230 - 400 V alternative, 50 - 60 Hz

    24 V continu

    F.C.4 : ASSURER LA SCURIT DE L'OPRATEUR

    VITESSE DE DESCENTE HORS NERGIE Nulle

  • Le dveloppement sous forme de FAST de la fonction principale F.P.1 (plus simplement crite Soulever un tramway ) est donn ci-aprs :

    Le dveloppement sous forme de FAST de la fonction technique Dplacer en translation pour une colonne est donn ci-aprs :

    SOULEVER UN TRAMWAY

    GRERL'ENSEMBLE

    DES COLONNES

    ALIMENTER EN ENERGIE

    RELIER AU RSEAU

    LECTRIQUE

    ACQURIR LES

    INFORMATIONS

    DPLACER ENTRANSLATION

    cbles

    A.P.I. et/ou

    carte P.I.D.

    codeur incrmental

    +gnratrice

    tachymtrique

    8 colonnes de levage

    COMMUNIQUER AVEC

    L'OPERATEUR

    pupitre de commande

    DPLACER ENTRANSLATION

    CONVERTIRL'ENERGIE

    ADAPTERL'ENERGIE

    MECANIQUE

    TRANSFORMERLE

    MOUVEMENT

    GUIDEREN

    TRANSLATION

    moteur asynchrone

    rducteur engrenages

    vis + crou

    chariot galets+

    rail de guidage

    DISTRIBUERL'ENERGIE

    ELECTRIQUE

    carte de puissance

    relais

    ALIMENTER ENNERGIE

    rseau EDF

  • Afin de vrifier les performances du systme, on propose le plan dtude suivant :

    Analyse du systme de levage : Question 1

    A Vrification de quelques critres de la F.P.1 : soulever un tramway

    A1 - Vrification du critre de charge maximale : Question 2 et Question 3 A2 - Dimensionnement du moteur lectrique : Question 4 Question 8

    B Vrification du critre de la F.C.2 : tre stable mcaniquement

    B1 - Vrification du critre de non basculement (stabilit mcanique) : Question 9 B2 - Vrification du critre de pression maximale au sol : Question 10

    C tude du critre de coplanit

    C1 - tude (partielle) dun modle de commande squentielle (F.C.1) : Question 11 et Question 12 C2 - tude (partielle) dun modle de commande continue (F.P.1 et F.C.1) : Question 13 Question 17

    ANALYSE DU SYSTME DE LEVAGE

    Question 1 : a - Complter sur le document rponse DR1 le diagramme reprsentant larchitecture de la chane dinformation et de la chane dnergie du systme de levage tudi.

    b - Complter sur le document rponse DR2 le schma cinmatique minimal 3D dune colonne de levage.

    A Vrification de quelques critres de la F.P.1 : soulever un tramway

    A1 - Vrification du critre de charge maximale

    Objectif : dterminer la valeur de la charge souleve par chaque colonne.

    On rappelle que pour soulever une rame complte de tramway, on utilise 8 colonnes, soit 4 colonnes rparties identiquement de chaque ct du tramway. Le tramway est un vhicule articul constitu de six lments (voir Annexe 2, figure 1) ayant des masses diffrentes. Ainsi, chaque colonne ne soulvera pas la mme charge. Ltude suivante consiste dterminer la charge souleve par chaque colonne, donne essentielle connatre afin de rgler les paramtres de commande de ces units de levage.

    Modle retenu : (voir imprativement la figure 2 de lannexe 2).

    1. Systme isol : tramway complet.

    2. Le plan 3, ,G x z tant plan de symtrie pour les efforts et la gomtrie, on se limite une

    tude plane. Le vecteur unitaire est vers larrire du dessin.

  • 3. Les diverses actions mcaniques dues la pesanteur sont modlises par des glisseurs de rsultantes .i iP P z aux centres de gravit Gi des six lments diffrents. On prendra

    29,81 m / s .g

    4. Les actions mcaniques dues aux colonnes de levage sont modlises par des glisseurs de rsultantes .i iF F z aux points de levage L1, L2 , L3 et L4.

    5. Les voitures motrices V1 et V2 sont articules (liaisons sphriques) respectivement aux points A1 et A2 avec la voiture d'articulation centrale V3.

    6. L'action mcanique due une articulation entre deux voitures i et j sera modlise par un glisseur de rsultante i jR au centre de l'articulation.

    Donnes gomtriques :

    1 1 2 4 1 1 2 4 1 2 3 4

    1 1 2 4 1 2 1 3 1 3

    1980 mm ; 5510 mm ; 12505 mm ;

    13280 mm ; 3300 mm ; m m

    p

    L G x G L x L G x G L x L L x L L x

    L A x A L x A A x AG x AG 1650 mm .x

    Nota Bene : Le plan 3, ,G y z tant aussi plan de symtrie pour les efforts et la gomtrie, on se

    limite ltude des deux voitures (avec leurs boggies) {V1,Bm1} et {V3,Bp3}.

    Question 2 : Dessiner sur le document rponse DR2 les vecteurs reprsentant les actions mcaniques extrieures (en phase de levage) agissant sur les deux voitures isoles (avec boggies) {V1,Bm1} et {V3,Bp3} en respectant directions et sens.

    Question 3 : Exprimer les actions mcaniques des colonnes de levage en L1 et L2, en fonction des grandeurs gomtriques et des poids des diffrents lments du tramway. Calculer ces actions mcaniques. (Chacune de ces actions est supporte identiquement par deux colonnes).

    A2 - Dimensionnement du moteur lectrique

    Objectif : valider le dimensionnement du moteur (couple, vitesse, puissance) en rgime nominal et en phase dacclration.

    Lobjectif est de valider que le moteur propos correspond aux impratifs de couple et de vitesse imposs par le cahier des charges. Les lments importants respecter sont : - la masse maximale soulever est de 6 tonnes, soit 6000 kg, infrieure la capacit maximale ; - la vitesse de leve doit tre de 10 mm/s, soit 0,010 m/s ; - la phase dacclration ne doit pas excder 0,5 s . Lors de la conception, plusieurs technologies ont t tudies, que ce soit au niveau de la motorisation