Tunnelier

Tunnel Boring Machine

Un tunnelier est une machine permettant de percer des tunnels. Il en existe de nombreux types différents, dont celui dit "à confinement par pression de terre" (EPB shield - Earth Pressure Balance shield). C'est un tunnelier de ce type qui est présenté ici à une échelle de l'ordre de 1:50.

Avant la description détaillée, le fonctionnement général est à voir ici :

I - Construction, généralités

Cliquez sur les images pour les voir en meilleure qualité.

Le Tunnelier est construit en 4 parties facilement démontables pour le transport et/ou la maintenance :

• la partie avant, la plus complexe

• la partie arrière, surtout du décor avec peu de fonctions

• le train et ses rails, très simple

• la partie électronique et logicielle, pas de Meccano là-dedans...

Le diamètre général du tunnelier est de 25 cm, correspondant à celui d'une couronne à rebords n°167b. Les tunneliers réels ont des diamètres de 10 à 17,6 m pour le plus gros du monde, ce qui donne une échelle de 1:40 à 1:70

Les détails des photos suivantes peuvent être légèrement différents par rapport aux vues générales, ce sont des reconstructions. En particulier, les moteurs et les fins de course ne sont pas cablés.

II - La partie avant

C'est la partie la plus complexe, celle qui assure le plus de fonctions. Le problème est la complexité de trois organes, l'érecteur de voussoir et son support d'une part et la grue à voussoir d'autre part (schéma ci-dessous). Le support de l'érecteur de voussoir se déplace le long de l'axe X, l'érecteur lui-même peut tourner de ± 180° autour de son axe, et doit pouvoir prendre et déposer des voussoirs en magasin, le tout en étant traversé par la vis d'archimède d'évacuation des boues. La grue quant à elle est dans un espace très limité, elle doit prendre un voussoir situé sur un wagonnet et le déposer sur un emplacement tampon de stockage (magasin à voussoir).

Les vrais voussoirs sont des pièces de plusieurs tonnes en béton préparées à l'extérieur du tunnel :

C'est un système de ventouses qui permet de les manipuler. Les miens seront des plaques cintrées n°200 et seront manipulées magnétiquement à l'aide de bobines cylindriques n°614

L'érecteur de voussoir et la grue à voussoir se déplacent le long de la structure principale du tunnelier, constituée par 4 cornières composites de 53 trous (37 + 15 + 1). Ces cornières sont régulièrement renforcées par diverses bandes et plaques rigides :

L'érecteur de voussoir

Celui-ci est constitué principalement de 2 vérins (moto-réducteurs + vis sans fin) vissés sur une cage constituée de 2 longrines circulaires n°143 comme montré ci-dessous. Il faut absolument que les 2 vérins soient parallèles, sous peine de blocage lors de la montée ou de la descente. On peut pour cela jouer sur l'angle des équerres à 135° en les pliant plus ou moins. Les bandes glissières n°55 ne sont plus forcément face à face, c'est pourquoi on doit visser le support des bobines avec une seule vis. Pas de problème, il y a peu d'efforts en jeu. Les 2 vérins sont alimentés en parallèles, il y en a toujours qui sort plus vite que l'autre, mais ce n'est pas gênant car la course est faible. Il y a 2 fins de course (non représentés) pour limiter celle-ci, et une dizaine de noyaux de bobines cylindriques n°527 servant de contre-poids. La rotation de l'ensemble se fait par frottement des parties intérieures des longrines circulaires dans les gorges de poulies de 12 mm en plastique.

Les vérins ont été achetés en 2014 lors de l'expo CAM aux Mureaux, c'est la première fois que je m'en sers ! Il faut les démonter pour insérer un écrou afin de pouvoir visser l'équerre à 135° :

Le support de l'érecteur de voussoir

C'est une cage formée de 2 plaques rigides de 5 x 5 trous boulonnées sur une plaque à rebords 5 x 3 trous n°51f. Sur chaque plaque rigide sont vissés 4 boulons pivots de 15 mm n°147d qui supportent chacun une poulie sans moyeu de 12 mm. Ce sont ces 8 poulies qui guident le support en translation dans les 4 cornières de la structure principale. La forme évidée permet le passage de la vis sans fin d'extracton, figurées par un assemblage de manchons de 65 mm.

Sur le dessus de la cage est positionné une tringle 3 pans entrainée par un moteur + réducteur via une vis sans fin et un pignon de 18 dents. La tringle entraine 2 poulies en plastique de 12 mm 3 pans : ce sont elles qui entrainent la rotation du porte-voussoir. Sur le côté un fin de course permet de détecter la position verticale du porte-voussoir. Les longrines circulaires sont également guidées par 2 tringles montées dans des grands goussets n°133 situés de part et d'autre des plaques rigides. le montage est finement réglé avec des rondelles fines de 4 mm pour que les poulies latérales tournent sans frotter contre les goussets. Il y des bagues d'arrêt sur les tringles latérales pour guider les longrines circulaires dans le plan vertical.

Il est entrainé en translation par la rotation des roues dentées de 95 dents par un moteur via une réduction à plusieurs étages. Pour le pilotage, une impulsion de l'Arduino suffit car il y a une came sur une des roues dentées qui désactive un microswitch à chaque demi-tour :

L'ensemble érecteur de voussoir monté sur son support :

La grue de transfert des voussoirs

Le problème principal est l'encombrement très réduit, ce qui m'a conduit à déporter le moteur du mouvement de translation horizontale :

La grue est constituée de 2 parties vissées sur un chassis constitué par un profilé en U Stokys de 16 x 2 trous n°G13  :

• A droite sur la photo, le mécanisme de translation. Un moteur avec réducteur 19/57 entraine un pignon de 25 dents sur une crémaillère de 165 mm n°110a fixée sur la structure principale, cela permet la translation horizontale aller/retour de la grue. Sur le dessus, un accouplement taraudé n°63c actionne 2 microswitches fins de course. La grue roule sur les cornières de la structure sur les moyeux de 4 poulies de 12 mm, qui sont libres sur leurs tringles.

• A gauche sur la photo, le mécanisme de saisie des voussoirs. Un petit moteur de récupération entraine une tige filetée de 50 mm n°81. Cette tige passe dans le moyeu taraudé d'un bras de manivelle double taraudé n° 62c fixé sur une plaque rigide 3 x 3 trous supportant 2 bobines cylindiques. Sur le côté est fixé un microswitch fin de course.

D'autres photos :

La tête

Elle est constituée de 3 couronnes à rebords n°167b, 2 pour la structure et une pour la face de coupe. Le trépan est actionné par un petit moteur avec 2 réducteurs n°760 montés en série, ce qui donne une faible vitesse de rotation, encore diminuée par transmission du pignon 15 dents à une roue dentée Stokys de 136 dents n°Z011 sur le support de trépan (à droite sur la troisème photo). La vitesse obtenue est de l'ordre de quelques tours par minute, comme dans la réalité. Autour de la roue dentée sont répartis 7 autres moteurs factices, constitués essentiellement d'un manchon noir de 40 mm n°163 dans lequel une tringle avec un pignon de 15 dents est guidée.

Le support de trépan possède 4 tiges filetées sur lesquelles la face de coupe (à gauche sur la troisème photo) est elle-même vissée.

III - La partie arrière

Cette partie, de même structure et de même diamètre que l'avant, est moins complexe et sert surtout de décor. Elle s'emboite dans la partie avant avec un détrompeur, puis est vissée en position avec 4 raccords taraudés visibles ici sur la partie avant :

On retrouve dans cette partie arrière la suite du tapis roulant actionné par un moteur et une démultiplication, 2 spots d'éclairage identiques à celui de l'avant, et quelques détails supplémentaires :

• La climatisation : un moteur entraine 2 hélices en plastique n°41b, le radiateur est constitué d'un empilement de bandes de 5 trous espacées par des rondelles. Le moteur est alimenté en même temps que les tapis roulants.

• Générateur électrique de secours et grue de maintenance, les deux sont statiques.

IV - Le train

Pas de problème particulier, si ce n'est la hauteur disponible pour la circulation du train, très faible (deuxième photo). Ce sont les rails qui sont alimentés en changeant de polarité pour changer de sens de marche, ils sont donc isolés électriquement l'un de l'autre par des bandes isolantes de 5 trous n°502. Il y a un microswitch de fin de course à chaque extrémité des rails. Comme la course de la grue de transfert est limitée, le voussoir du premier wagon est décalé vers l'avant (première photo).

V - Les logiciels

Le programme Arduino

Le programme Processing