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La pelle mécanique hydraulique est un engin de chantier présentant un outil pelle monté sur une tourelle[1]. Elle est également connue connue sous le nom de pelle hydraulique[2], pelleteuse ou excavatrice. Quand elle est de petite taille, on parle de minipelle, de midipelle ou encore de micropelle (lorsque l'engin pèse moins d'une tonne). Développée en une multitude de versions, elle est devenue un instrument incontournable en génie civil et travaux publics.
Ce matériel ne doit pas être confondu avec une tractopelle qui est l'association d'un outil pelle hydraulique et d'un chargeur sur pneus ou d'un tracteur, et qui, notamment, ne dispose pas de la rotation de l'ensemble cabine/outil (tourelle).
Historique
Ancienne pelle à cables aujourd'hui remplacée par la pelle hydraulique.
L'emploi de la pelle hydraulique se développe après 1945. Auparavant les pelles mécaniques, qui existent depuis le XIXe siècle, déplaçaient leur flèche et leur godet à l'aide de treuils et de cables en acier (pelle mécanique à cables) et la rotation de la tourelle était incomplète[3].
Morphologie
Pelle mécanique sur chenilles New Holland Kobelco E215.
La pelle hydraulique est constituée d'un châssis porteur à chenilles, à pneus plus béquilles (pelle sur pneus) ou à pneus plus jambes (pelle-araignée). Il est surmonté d'une tourelle dotée d'une rotation continue sur plus de 360 degrés. Cette tourelle porte le moteur, les organes hydrauliques (pompe, moteurs, vérins), le poste de conduite et l'équipement (bras, flèche, balancier et godet). La liaison hydraulique entre le chassis et la tourelle est réalisée au moyen de connexions centrales concentriques à joints tournants (invention Poclain). La tourelle est équipée d'un ou deux moteurs hydrauliques de rotation et d'un frein de sécurité permettant son blocage au transport ou à l'arrêt.
Châssis
Il est composé d'une structure mécanosoudée, souvent en « X ».
Sur sa partie supérieure, il supporte la couronne de tourelle et, sur sa partie inférieure, il accueille les fixations du système de déplacement. On y trouve également des équipements comme une lame bull, les crochets de traction, les stabilisateurs (pour les pelles sur pneus), parfois un treuil. Certains chassis de pelles sur pneus sont articulés (Mecalac…).
Chassis à chenilles montrant un longeron support de chenille en gris avec : le pignon moteur (barbotin) en rouge, le second pignon (roue de renvoi) à l'opposé et son support (tendeur) permettant la tension de la chenille, les galets de maintien de la chenille en jaune et la couronne de tourelle en haut avec la connexion hydraulique centrale en jaune.
Les pelles de chantier important sont majoritairement équipées de chenilles en acier. Les minipelles sont généralement équipées de chenilles caoutchouc (jusqu'à 10 t). La capacité de franchissement d'obstacles d'une pelle à chenilles est impressionnante et est encore augmentée lorsque le conducteur se sert de la flèche et du godet comme d'une béquille.
Minipelle Case CX31B classiquement équipée de chenilles caoutchouc, d'une flèche déportable et d'une lame.
Pour les pelles sur chenilles, il existe plusieurs types de châssis :
LC : le plus répandu, voie et empattement longs ;
WLC : exclusivement chez Liebherr, il diffère de la version LC par une voie plus importante ;
NLC : le plus souvent présent sur les pelles de plus de 25 tonnes, il leur permet de ne pas dépasser 3 mètres de large ;
CK : conçu par Poclain qui avait diminué la voie et l’empattement pour pallier un problème d'usure.
Plus les chenilles sont larges, plus la pression au sol (exprimée en décanewtons par centimètre carré) est faible ; les machines qui vont dans les marais peuvent avoir des patins de 1 200 mm, une machine normale de 20 t a des patins de 500 à 700 mm. En revanche, pour des terrains durs, il faut des patins ou tuiles peu larges, sinon ils risqueraient de se briser.
De même, plus les chenilles sont larges, plus l'usure des chenilles augmente et plus on abime le terrain dans les virages. L'énergie nécessaire au virage augmente également. La largeur idéale d'une chenille est donc un compromis : « Aussi étroit que possible mais aussi large que nécessaire ».
La stabilité dépend de la surface totale définie par la limite extérieure des chenilles. En conséquence, plus les chenilles sont longues et écartées, plus la machine est stable. Le poids du châssis et des chenilles jouent aussi un rôle : plus il est important, plus la machine est stable.
Certaines machines, notamment des minipelles, sont équipées de châssis télescopiques pour augmenter la voie (travail sur pente) ou la diminuer (transport…) et sur certains modèles, les chenilles peuvent être démontées pour le transport lorsqu'elles sont trop lourdes ou trop larges.
Des pelles conventionnelles équipées de chenilles très larges (1,2 m) présentent des aptitudes sur terrains instables. Les équipements arctique permettant d'évoluer sur la neige sont similaires.
Ces machines doivent être amenées sur chantier au moyen de remorques spécialisées, dites aussi « porte-char » et pour les plus grosses démontées avant transport.
Pelle amphibie
Petite pelle amphibie en eaux peu profondes flanquée de ses piliers latéraux.
La pelle amphibie (parfois pelle marais) est assez similaire à la pelle à chenilles : les supports de chenilles sont remplacés par d'énormes caissons étanches (ou pontons), éventuellement en aluminium, permettant à la machine de flotter. Les chenilles classiques sont remplacées par un jeu de chaînes à barrettes, parfois en élastomère plus léger qui glisse sur les pontons et permet à la machine d'évoluer sur la terre ferme ou les marécages[4]. En eaux peu profondes (1 à 4 m), la machine peut être stabilisée par des béquilles longues appelées piliers d'ancrage. En eaux profondes les pontons sont doublés et la machine doit être mue par une hélice ; elle reçoit généralement un équipement longue portée. Elle peut entraîner une pompe afin de préparer les travaux dans les marais ou les mines et peut être d'une aide précieuse lors d'inondation catastrophique[5].
Pelle sur roues
La plupart des pelles à pneus sont dotées d'un système qui bloque les essieux et empêche la pelle de trop tanguer et sont équipées de stabilisateurs ou béquilles et d'une lame sur chassis sans lesquels la pelle bougerait et risquerait de se renverser. Cet accessoire est également utilisé pour faciliter le chargement du godet ou reboucher les tranchées. Elles peuvent être placées sur chassis à 2 (le plus fréquent) ou quatre roues directrices (marche en crabe) ou sur chassis articulé. Les quatre roues sont motrices et peuvent souvent être jumelées.
Elles sont beaucoup plus mobiles que les pelles sur chenilles et sont le plus souvent utilisées sur des surfaces stables avec des distances importantes à parcourir (travaux de voirie notamment). Elles peuvent être dotées d'une flèche triple articulation intéressante lorsque l'espace de travail est mesuré. Elles sont plus petites en général que les pelles sur chenilles en acier (jusqu'à 25 t environ pour les plus courantes).
Pelle rail-route avec lame bull, Finlande, 2012.
Les pelles « rail-route » sont des engins à double jeu de roues pouvant passer de la route à la voie ferrée de manière autonome.
Pelle sur roues tractée
Ce sont en général des machines de taille modeste et peu stables, leur mise en œuvre peut dépendre de la prise de force ou de l'hydraulique d'un tracteur ; elles peuvent aussi comporter un moteur auxilliaire et être autonomes une fois installées sur chantier.
Pelle sur barge, chaland, wagon de chemin de fer, etc.
Elles sont destinées aux chantiers maritimes et fluviaux, du rail…
Pelles-araignées au travail sur la rivière Upa, Tchéquie, 2008.
Les pelles-araignées se déplacent grâce à des stabilisateurs perfectionnés ou jambes et deux ou quatre roues. Elles sont adaptées aux terrains très accidentés ou submergés, la machine peut en effet se redresser et s'équilibrer grâce à ses jambes. D'autre part, en rassemblant leurs jambes, elles peuvent se faufiler dans des passages étroits. Ce sont cependant des machines complexes et peu répandues.
Tourelle
Tranchée creusée au ras d'un mur en déportant la flèche d'une minipelle.Poste de conduite d'une pelleteuse sur chenilles : manettes-pédales séparées d'avancement des chenilles au centre, joysticks de commande de la tourelle et de la flèche, et de l'outil, sur les côtés.
Elle porte :
l'outil pelle,
le poste de conduite, cabine ou arceau de sécurité sur certaines minipelles ; les commandes sont assurées par des distributeurs hydrauliques soumis à des relais hydrauliques, mécaniques ou électriques,
le moteur, les pompes hydrauliques, réservoirs et masses en fonte, ce sous-ensemble faisant office de contrepoids par rapport à l'outil.
L'ensemble est assujetti à la couronne d'orientation et peut tourner indéfininiment dans les deux sens entraîné par un ou deux moteurs hydrauliques. Les minipelles et certaines petites pelles possêdent une liaison pivot supplémentaire verticale sur l'extérieur de la tourelle où est fixée la flèche, ce qui permet de la déporter pour travailler dans des endroits exigus ou au ras d'un mur par exemple.
Conduite
Les pelles sur chenilles se conduisent à l'aide de manettes-pédales séparées, chaque chenille étant actionnée séparément. Leur inversion permet à la machine de pivoter sur place. Leur utilisation en pédale laisse les mains libres pour les joysticks de travail.
Toutes les pelles peuvent s'aider de la flèche pour prendre un virage, franchir un fossé trop large, descendre ou escalader des gradins, se tirer d'un bourbier.
Certains constructeurs de machines importantes proposent une cabine inclinable, surélevée ou déportable de façon à avoir une vue optimale sur le travail.
Équipements
Pelle à flèche monobloc.Schéma de fonctionnement d'une flèche monobloc.
Flèche
Elle est reliée à la tourelle par l’intermédiaire d'une liaison pivot. Pour faire varier son inclinaison, trois configurations sont possibles :
un vérin sur la flèche (pour les pelles de moins de 2 tonnes)[6],[7].
un vérin sous la flèche (pour les pelles de moins de 10 tonnes).
deux vérins latéraux (pour toutes les autres).
Il existe différentes conceptions de flèche :
Pelle à flèche télescopique sans balancier, Allemagne, 2009.
les monoblocs : ce sont les plus robustes et donc les plus adaptées aux applications sévères (carrières, terrassement de grande masse, brise-roche hydraulique (BRH), etc.) ;
les « volées variables » ou « triples articulations » : la flèche est séparée en deux, l'opérateur peut faire varier la volée de la flèche grâce à une articulation de celle-ci. On les trouve sur beaucoup de pelles à pneus, cela offre l'avantage de pouvoir travailler dans un espace restreint ;
Les flèches télescopiques ;
Les flèches interchangeables sont utilisées pour des travaux nécessitant une portée importante et variable : démolition d'immeuble notamment.
les dé-portables : sur tourelle à liaison pivot supplémentaire elles permettent de travailler parallèlement à l'axe du châssis sans être dans son alignement. Ce type de flèche est d'une conception plus fragile et est donc réservé à des applications où les contraintes ne sont pas trop importantes. Il est généralisé sur les minipelles.
Balancier
Il s'agit de la pièce intermédiaire entre la flèche et le godet. La principale caractéristique de cet élément est sa longueur :
plus il est court, plus la force de pénétration sera élevée (principe du bras de levier). Les balanciers courts sont essentiellement employés sur les pelles de production (d'un poids supérieur à 50 tonnes). Les temps de cycle sont réduits, le besoin de modifier la position du balancier se faisant moins sentir ;
plus il est long, plus la machine sera performante pour des opérations de talutage et de nivellement ;
équipement « longue portée » (pelle-girafe) : il s'agit de l'association d'une flèche longue et d'un balancier long ; ces pelles sont amenées à travailler sur la création et l'entretien de berges, à des travaux de curage de plans d'eau, en démolition, à des excavations profondes, etc. Il existe aussi des extensions de balancier démontables ;
balancier télescopique : de longueur modifiable hydrauliquement[8] ;
balancier latéral, articulation supplémentaire permettant d'incliner le godet qui travaille alors en dévers.
Il existe différentes largeurs de godets, en fonction du débit recherché, du type de terrain, de la largeur de la fouille à ouvrir, etc.
Godet déchiqueteur.
Certains godets ont une forme spécifique : triangulaires, ils permettent d'ouvrir des fossés de même géométrie, et peuvent être fabriqués sur mesure en fonction des dimensions recherchées pour l'ouvrage à terrasser. Il peut être muni d'un dispositif permettant de l'incliner latéralement (balancier latéral) ou de le faire tourner (rotateur hydraulique), de dents (godet ripper) ; Il peut être associé à un fourchon permettant d'assurer la prise (godet grappin), à un système de concassage et/ou triage (godet concasseur et/ou trieur) des matériaux sur place. Monté sur trapèze, il garde sa position de cavage quelle que soit l'inclinaison du balancier.
Ce peut être un godet drop (s'ouvrant par le fond), un godet inversé (tourné vers l'avant) appelé godet chouleur, configurations fréquentes pour les grosses pelles de production. Il peut être réduit à une simple lame bull.
Démolition d'immeuble avec une pelle à flèche longue interchangeable et une cisaille à béton.Char Kodiak de génie militaire, flèche sur pivot à triple articulation et godet grappin monté sur rotateur.
Autres outils
Liaison de godet à couplage rapide.Tête de foreuse.
La liaison à ergots et raccords hydrauliques automatique permet de changer rapidement de godet ou d'outil même sans quitter la cabine.
Brise-roche hydraulique
Le brise-roche hydraulique (BRH) utilisé pour casser les terrains très durs, saisir et positionner finement des blocs d'enrochement ou autres matériaux (ex. : carcasses de voiture). Il agit comme un marteau-piqueur et a pour synonyme « marteau brise-roche » ou « marteau hydraulique ». Il est utilisé pour la démolition, l'abattage de roche et les travaux de terrassement.
Broyeur rotatif
Variant rotatif du précédent.
Mâchoire de broyage
Mâchoire de broyage avec rotateur sur une Liebherr 924.
Pince destinée à démolir et concasser les matériaux sur place.
Cisaille à béton armé
Variante de la précédente
Benne preneuse tournante
Pelletage au tas avec une benne preneuse tournante sur une pelle Atlas à flèche triple articulation.
Une benne preneuse est composée de deux coquilles (en anglais : clamshell) se refermant pour prendre la charge et associée à un rotateur.
Griffe tournante
Elle est conçue sur le même principe que la benne preneuse avec un rotateur ; les coquilles sont remplacées par des fourches ou des pinces.
Électroaimant
Destiné à la manutention de ferrailles, un électroaimant peut être monté sur rotateur.
Vibreur
Pour tasser des graves, installer des palplanches, positionner du béton frais.
Tarière, foreuse de chantier, carotteuse
Une tarière hydraulique permet de creuser des trous de poteaux.
Marteau de battage
Dit aussi mouton hydraulique, pour enfoncer pieux, poteaux et palplanches.
Draineuse
Un corps de de draineuse-sous-soleuse peut être fixé sur la flèche pour la pose de drains en continu.
Tête d'abattage
Pour les travaux légers en forêt comme l'éclaircissage ou la fabrication de bûches.
Broyeur forestier, élagueuse
Broyeur forestier sur une pelle à roues avec balancier télescopique.
Configuration particulière des minipelles
Les minipelles possêdent la plupart du temps (mais ce n'est pas une règle absolue) :
un chassis à chenilles caoutchouc ;
L'option chassis télescopique est souvent disponible ;
une lame bull sur chassis ;
Détail de la double liaison pivot avec son vérin d'orientation sur une minipelle.une flèche sur liaison pivot supplémentaire permettant son déport latéral ;
la cabine est souvent optionnelle et peut être réduite à un simple canopy, facilitant l'accès du conducteur.
Utilisation
Quelques chiffres
Le poids d'une pelle hydraulique sur pneus peut atteindre 127 t environ[9] et 980 t environ pour celles sur chenilles[10].
La puissance peut atteindre 490 ch[réf. nécessaire] environ pour les pelles sur pneus et 3 800 ch (deux moteurs de 1 900 ch)[11] environ pour les pelles sur chenilles.
La vitesse maximale de translation (déplacement) est de l'ordre de 4 km/h sur chenilles et 35 km/h sur pneus.
Pour l'année 2005, environ 3 450 pelles sur chenilles, 1 850 pelles sur pneus et 8 600 minipelles ont été vendues en France[12].
Pour l'année 2010, environ 2 117 pelles sur chenilles, 1 174 pelles sur pneus et 2 117 minipelles ont été vendues en France[13].
La hauteur de chargement et de déversement du godet.
La profondeur maximale de chargement du godet en équipement rétro.
La force de pénétration (cavage).
La force d'arrachage.
Un pelleteur-chouleur Liebherr 974.
Travaux
Pelle (sans bras de démolition) Liebherr R974 de 120 t sur remorque à 3+5 essieux.Excavatrice ER1250 sur la mine de charbon de Tugnui, Bouriatie, Russie.Godet placé sur balancier latéral.
La pelleteuse est utilisée par exemple pour des travaux de :
pelletage en butte, godet tourné vers l'avant (choulage), la force de pénétration du godet est maximum dans cette configuration ou le travail est plus rapide pour les pulvérulents ; un rotateur permet aussi le passage immédiat d'un godet ordinaire en position choulage mais l'ensemble est moins robuste ;
pelletage au tas avec une benne preneuse à coquilles, un godet chouleur ou rétro ;
extraction et chargement de matériaux (dans une carrière…) ; godet en position rétro en général, de même que pour les applications suivantes ;
chantiers maritimes (extension de port, désensablement, etc.) ;
assainissement (terrassement de fouille, pose de tuyaux, etc.) ; réalisation et nettoyage de fossés et de talus… ;
fouilles archéologiques (à la fois pour le décapage initial, le terrassement, l’évacuation des déblais, et la fouille par niveaux successifs d’une épaisseur d’environ un centimètre) ;
manutention (déchargement et pose de conduites d'assainissement, chargement-déchargement de bateaux, de camions ou alimentation de broyeur, etc.) ; la pelle peut être munie d'un crochet de grue avec rallonge ;
fondations spéciales (forage, parois moulées, etc.), la pelle sera équipée du matériel : mouton, sonnette, etc. ;
démolition ou de triage : la pelle peut être équipée de pinces hydrauliques ; creusement de tranchées et fondations ;
remblaiement de terrain, épandage de matériaux, nettoyage, décapage fin et surfaçage de terrains ; le godet peut être placé sur un balancier latéral ;
↑Certaines micro-pelles ne comportent pas de tourelle mais seulement un pivotement limité de la flèche, cependant elles ne sont pas considérées comme des engins professionnels.
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