Brevet FR2135559A1 — publié le 19721222

La présente invention concerne les câbles de levage constitués de fils métalliques et dont les extrémités sont fixées, au cours du levage, à des niveaux différents. L'invention peut être utilisée pour le levage dans des puits d'une profondeur de 2000 à 3000 m et plus, pour la prospection de forages à des profondeurs de 15000 à 18000 m, pour l'élévation de différents dispositifs à des hauteurs considérables jusqu'à 20000 m ou plus à l'aide de systèmes aérostatiques, pour l'exploration des fonds sous-marins, etc. On connaît déjà des cabales de levage dont les extrémités sont destinées à être fixées à des niveaux différents. Ces dernières années, le problème tesla création de cables de levage à résistance mécanique élevée et de longueur allant jusqu'à 20000 mètres ou plus, est devenu très important. On sait que la tension dans une section-du cable située à une certaine distance de son extrémité supérieure, est égale au poids de la charge additionné à celui de la partie du câble située au-dessous de la section considérée. C'est pourquoi la tension la plus forte du cable se situe à son extrémité supérieure, et elle est égale au poids de la charge plus le cids de tout le cabale. A l'extrémité inférieure du capable lffl tension est minimale et sa valeur est égale seulement au poids de la charge Si l'on utilise un cable à section invariable et constitué par un matériau homogène, sa section transversale doit être choisie suivant la résistance mécanique de son extrémité supérieure.A son extrémité inférieure, où la tension est moins forte qu'à I'extrémité supérieure, le cable présente un excédent de résistance, c'est-à-dire qu'il comporte plus de métal qu'il n'en faut, ce qui entraîne un excédent de poids du cable. Afin d'éliminer du cable le métal inutile correspondant audit excédent de résistance, il faut que la quantité de métal dans chaque section transversale du câble soit directement proportionnelle à la tension du câble dans la section considérée. Suant donné que la tension dans le câble, depuis son extrémité supérieure jusqu'à l'extrémité inférieure, diminue du fait de la diminution de son propre poids, la quantité de métal supportant la charge doit elle aussi diminuer (proportionnellement à la tension) depuis l'extrémité supérieure jusqu'à l'extrémité inférieure du câble. Pour les, charges de rupture habituelles des fils de câble (160 à. 180 kg/mm2) et pour des coefficients de sécurité de l'ordre de 6, les poids du câble, pour une hauteur d'élévation de 1500 à 1800 m, devient déjà égal au poids de la charge à lever. Plus la hauteur d'élévation est grande et plus le poids du câble augmente par rapport à celui de la charge. Dans ces systèmes de levage, l'un des problèmes essentiels est celui du propre poids du câble. Parallèlement à l'utilisation de matériaux à résistance élevée, ce problème est résolu en faisant appel à des câbles de résistance uniforme. On connaît deux variantes d'exécution de câbles à résistance uniforme. D'après la première variante, le câble à résistance uniforme est torsadé àiartir de fils métalliques à section transversale variable suivant la longueur. C'est la variante idéale d'un câble à résistance uniforme, dont la section transversale et le poids linéaire diminuent progressivement tout le long du câble, depuis son extrémité supérieure jusqu'à son extrémité inférieure, sans pour autant que soit réduite sa résistance globale. Suivant uredeuxième variante, le câble à résistance uniforme est de structure échelonnée, c'est-à-dire qu'on obtient un câble constitué par des zones de différents diamètres tout le long du câble. 'les câbles qui viennent d'être mentionnés présentent des inconvénients notables. La fabrication d'un câble à résistance uniforme idéale suivant la première variante précitée entraîne des difficultés techniques considérables. Cela résulte du fait qu'à i'heure actuelle''on ne dispose pas encore d'un procédé industriel fiable pour la fabrication de fils à section transversale valable leur longueur. On a réalisé des expériences pour obtenir des fils ronds à section variable, mais une technologie pour leur fabrication n'a pas encore été mise au point. La fabrlcation de fils àsecion variable sur sieur Ong1wràprofil de forme, n'est pas encore réalisable avec les techniques modernes.D'un autre coté, le problème du levage à de grandes profondeurs est résolu de la meilleure façon à l'aide de câble clos en hélice, fabriqués à partir de fils à profil de forme. Be deuxième inconvénient de la fabrication de câbles à résistance uniforme idéaux à partir de fils à section variable réside dans la nécessité de procéder au torsadage des câbles avec un pas variable. Cela découle du fait que toutes les dimensions transversales d'un tel câble doivent varier géométriquement de la même façon sur toute la longueur du câble. A cet effet, les angles de torsadage des fils doivent rester invariables, ce qui, pour un diamètre variable du câble, ne peut hêtre réalisé qu'en variant le. pas de torsadage. Cela complique considérablement l'exécution de tels câbles, car les torsadeuses qui existent actuellement sont prévues seulement pour le tors adage de câbles avec un pas constant. Be câble à résistance uniforme à structure échelonnée est de fabrication relativement simple, mais son inconvénient réside dans le fait que pendant son torsadage, au fur et à mesure de l'accroissement de sa longueur, des fils individuels ou des groupes de fils sont sectionnés, c'est-à-dire supprimés, ce qui perturbe la structure extérieure des câbles. Ainsi, si l'on supprime les fils extérieurs, leurs bouts sectionnés doivent recevoir une ligature spéciale afin qu'ils ne se déroulent pas. Si on supprime les fils des couches intérieures, il se forme des vides internes dans le câble, et ce dernier s'écrase facilement non seulement pendant son utilisation, mais aussi pendant sa fabrication (torsadage). En outre, l'élévation d'une charge à une grande hauteur s'opère à l'ordinaire à l'aide d'une extrémité libre du câble. Or on sait que quand une charge est maintenue par une seule extrémité libre d'un câble, S sue produit une détorsion de ce dernier conjointement avec la charge. Si la charge, au cours de son levage, se déplace dans des guidages prévenant sa rotation, la détorsion du câble s'effectue sous 11 action de son propre poids. 'les pertes de résistance du câble résultant de sa détorsion atteignent et même dépassent parfois 50fui. Vu les inconvénients et les difficultés de fabrication mentionnés plus haut, les câbles à résistance uniforme ne sont pas, jusqu'à maintenant, largement utilisés dans l'industrie. Be but de la présente invention est d'éliminer les inconvénients mentionnés ci-dessus. A cette fin, l'invention vise un câble de levage dont les extrémités sont destinées à etre fixées à des niveaux différents et qui, tout en ayant un diamètre constant sur toute sa longueur, satisfait à la condition de résistance uniforme, ctest-à-dire que dans toutes les sections transversales du câble et sur toute sa longueur, les tensions normales sont constantes et égales aux valeurs admises, ledit câble étant en outre équilibré sur toute sa longueur de manière à prévenir sa détorsion. Cet objectif est atteint du fait que dans un câble de levage dont les extrémités s ont destinées à être fixées à des niveaux différents lors du levage, selon l'invention une partie au moins des fils métalliques du câble sont réalisés en deux tronçons raboutés dans différentes zones de la longueur du câble, le tronçon supérieur étant constitué par un métal à résistance élevée, et le tronçon inférieur par un matériau dont le poids spécifique est inférieur à celui du métal du tronçon supérieur. Une telle exécution permet d'obtenir un câble de levage allégé, avec diamètre invariable sur toute sa longueur. Pour obtenir un câble à résistance uniforme il est préférable que les longueurs des tronçons supérieurs des fils composants BX ahoi Sss de façon à ce que la résistance à la rupture du câble, dans ses sections transversales passant par les zones de raboutage, soit inférieure à la résistance mécanique de son extrémité supérieure, d'une valeur correspondant au poids propre de la partie supérieure située au-dessus de la section considérée. Pour simplifier la fabrication du câble, les fils du câble sont avantageusement torsadés par couches. Il est également possible d'exécuter le câble de levage de telle façon qu'entre les couches de fils torsadés soient disposées des couches de fils'rectilignes. ~ Afin d'assurer l'équilibre dti câble vis-à-vis de la torsion sur toute la longueur du câble de levage allégé, les fils constitués par deux tronçons sont de préférence rectilignes. Dans l'exposé qui suit, la présente invention est expliquée par la description détaillée d'un exemple concret mais non limitatif de réalisation, illustré par les dessins annexés qui représentent: - la figure 1, une vue schématique d'un câble conforme à l'invention, suspendu verticalement et portant une charge; - a figure 2, une vue en coupe transvérsale du câble de la figure 1 suivant II-II; - la figure 3, une vue en coupe transversale du câble de la figure 1 suivant III-III; - la figure 4, une vue en coupe transversale du câble de la figure 1 suivant IV-IV; - la figure 5, une vue en coupe transversale du câble de la figure 1 suivant V-V; - la figure 6, une partie de câble antitorsion,- comportant des couches de fils successives (coupe longitudinale). Pendant l'exploitation du câble de levage proposé,'ses extrémités 1 et 2 (figure 1) sont fixées à des niveaux différents: l'extrémité 1 est fixée au mécanisme de levage, l'extrémité 2 à la charge P. Etant donné que la tension la plus torte, donc'la section la plus dangereuse du câble, passe par son extrémité supérieure, il faut réduire le poids de l'ensemble du câble. C'est pourquoi il est proposé de fabriquer les fils métalliques de l'extrémité supérieure du câble avec un métal à résistance mécanique élevée, et, à mesure que-s'accroSssent la longueur et le propre poids du câble, de rabouter au moins une partie de ces-fils 3, dans différentes zones de la longueur du câble, avec des fils 4 constitués par un matériau dont le poids spécifique est inférieur à celui du métal à haute résistance des fils supérieurs. Il en résulte que ltensemble du câble comporte des fils formant deux tronçons raboutés dans différentes zones de la longueur du câble. Comme métal à haute résistance pour les tronçons de fils supérieurs on peut utiliser l'acier, des alliages de titane, etcW Be matériau employé pour les tronçons de fils inférieurs est de préférence l'alum-inium, un alliage au magnésium ou un matériau synthétique. 'les tronçons de fils peuvent etre assemblés par exemple par soudage-. Sur la figure 2 est re présentée une section de l'extrémité supérieure du câble constitué par des finis'3 de même nature, en métal à haute résistance. La figure 3 représente une section du câble dans une zone de raboutage des fils 3 en métal à haute résistance avec des fils 4 en matériau à poids spécifique inférieur à celui du métal à haute résistance. A mesure que s'accroît la longueur du câble, donc son propre poids, le omble comporte de plus en plus de fils 4 en matériau à poids spécifique inférieur à celui du métal à haute résistance, ainsi qu'il ressort des figures 3 et 4. Si l'on considère la section câble.à-son extrémité inférieure, représentée sur la figure 5, on voit que la quantité de fils 7 en métal à haute résistance va en diminuant, mais qu'il en reste assez pour assurer la capacité de charge prescrite du câble. Pour assurer une répartition uniforme des tensions de traction entre les fils en métal à haute résistance, ainsi qu'une élasticité uniforme du câble dans tous les sens, les fils en métal à haute résistance sont remplacés, dans différentes zones de la longueur du câble, en commençant par l'intérieur de celui-ci, par des fils à section équivalente constitués par un matériau dont le poids spécifique est inférieur a celui du métal à résistance élevée, et on les dispose d'une façon uniforme et symétrique par rapport au centre de la section du câble. les longueurs des tronçons supérieurs des fils composés sont choisie-s de telle façon que la charge de rupture du câble, dans ses sections transversales passant dans les zones de raboutage des tronçons supérieurs des fils composés, soit, par rapport à celle de l'extrémité supérieure du câble, inférieure d'une valeur correspondant au propre poids de sa partie supérieure située au-dessus de la section considérée. Pour satisfaire aux conditions de résistance mécanique, le calcul du câble suspendu verticalement, en tenant compte de son propre poids., est réalisé suivant la formule bien connue: où [ # ] est la tension admissible dans la section dangereuse du câble, en kg/mm2; 6 max,la tension maximale dans la section du câble, en kg/mm2; P , le poids de la charge, en kg; câble, en la surface de la section transversale dangereuse du câble, en mni ; f, le poids spécifique du métal du câble, en kg/mm3; 1, la longueur du câble, en mm. Ceci permet de calculer la longueur x du fil en métal à résistance élevée depuis l'extrémité supérieure du câble jusqu'à la zone de raboutage avec le fil en matériau à poids spécifique inférieur à celui du métal à résistance élevée, suivant la formule: où i est le numéro d'ordre du fil remplacé; la la tension admissible dans la section dangereuse 2 du câble, en kg/mm2; le , le poids spécifique du métal à haute résistance, 3 en kg/mm > ; le , le poids spécifique du matériau des fils raboutés aux fils en métal à haute résistance, en kg/mm3; la , la désignation du logarithme naturel;; 2 20 , la section transversale du câble, en mm S , la surface totale des fils en matériau à poids spécifique inférieur à celui du métal à haute résistance, en mm2 o Cependant, pour l''élévation dsune charge à partir d'une grande profondeur et à une hauteur considérable, il est préférable d'utiliser un câble antitorsion, car dans ce dernier-est respectée la condition d'équilibre des couples detorsion, suivant laquelle, dans un câble équilibré, les couches de fils sont torsadées dans des sens opposés, de telle façon que le couple de- détorsion agissant dans un sens soit égal au couple de détorsion agissant dans l'autre sens. Cette condition d'équilibre doit être réalisée dans toutes les sections transversales du câble. Si cette condition est remplie, par exemple, pour la section supérieure du câble décrit plus haut, alors, au fur et à mesure du remplacement des fils à haute résistance torsadée par des fils en matériau à poids spécifique inférieur à celui du métal à haute résistance et présentant un autre module d'élasticité, ladite condition est enfreinte, ce qui provoque le déséquilibre, la détorsion et, par conséquent, une réduction de la charge de rupture du câble. Pour obtenir le câble de levage antitorsion allégé, représenté sur la figure 6, on prévoit au-dessus des premières couches 5, 6 constituées de fils torsadés et dont les sens de torsadage sont mutuellement opposés, une couche 7 de fils rectilignes dont l'angle de torsadage est nul. Au-dessus de ce dernier sont disposées deux couches 8 et 9 de fils torsadés dans des sens mutuellement opposés. Au fur et à mesure de l'accroissement de la longueur et du propre poids du câble, un fil à haute résistance est supprimé de la couche 7 de fils rectilignes et est remplacé par un fil de section équivalente constitué par un matériau de poids spécifique inférieur à celui du métal à haute résistance. Les zones de raboutage sont désignées par les chiffres de repère 10. En fonction de la résistance nécessaire du câble, et au cas où on désirerait accroitre sa capacité de charge, on augmente deux par deux, dans un ordre alterné, le nombre de couches de fils rectilignes et de couches de fils torsadés. De' cette façon, on obtient un câble antitorsion à résistance uniforme, équilibré, dont la stabilité vis-à-vis de la détorsion est obtenue grâce aux sens de torsadage mutuellement opposés des fils à haute résistance par couches. 'les fil-s rectilignes, dont l'angle de torsadage est nùl, n'influencent pratiquement pas l'équilibre des couples de torsion dans le câble, et c'est pourquoi le remplacement de leur métal le long du câble n'affecte pas 1' équilibre néraI de celui-ci. De l'exposé donné ci-dessus il ressort que l'on peut réaliser un câble de levage dont le diamètre est constant sur toute la longueur du câble guelle que soit sa structure (câble du type "Varington", câble clos comportant des films à profil de forme quelconque, câble à torons où chaque toron est constitué par le câble décrit plus haut). Le câble qui vient d'être décrit permet d'obtenir les avantages suivants. Sa fabrication est simple grâce à l'utilisation de fils à section transversale constante sur toute leur longueur. Les vides résultant de l'élimination des fils à haute résistance sont regarnis avec des fils légers dont lè poids spécifique est inférieur à celui des fils à haute résistance, ce qui assure une structure compacte ainsi que de bonnes propriétés du câble en cours d'utilisation. Etant donné que les fils de garnissage sont disposés surtout dans les couches intérieures du câble, les couches extérieures de ce dernier sont constitués seulement par des fils à haute résistance, ce qui assure une résistance à 11 usure élevée de la surface du câble. La disposition symétrique des fils composés à haute résistance par rapport au centre de la section transversale du câble, assure une répartition uniforme des tensions de traction entre les fils à haute résistance. La disposition uniforme des fils composés par rapport au centre du câble assure une souplesse uniforme du câble dans tous les sens, ce qui influence favorablement le fonctionnement des poulies et des tambours. Be câble de levage allégé proposé, par suite de la présence de fils de garnissage légers à poids spécifique inférieur à celui du métal à haute résistance, permet de réaliser un gain sur le poids propre du câble inférieur à celui du câble idéal à résistance uniforme. C'est pourquoi, pour apprécier l'efficacité d'utilisation des câbles proposés, on comparera trois types de câble suivant la valeur de leur poids propre: 1. Câble ordinaire'homogène à section constante, dont le poids est considéré comme égal à l'unité. 2. Câble idéal à résistance uniforme. 3. Câble proposé. l'un des matériaux les plus couramment-employés dans l'industrie et présentant une résistance spécifique élevée est le fil d'acier à haute résistance dont la charge à la rupture est actuellement de l'ordre de 300 à 400 kg/mm. Pour les calculs on peut choisir C = 300 kg/mm2. Les tension admissibles = 100 kg/mm2 sont adoptées avec un coefficient de sécurité triple. Be poids spécifique du fil d'acier étiré est f = 7900kg/mm3. Comme garnissage on utilise des fils en alliage de magnésium léger, pour lesquels g = 1800 kg/mm3. Dans le tableau ci-dessous sont comparés les gains sur les poids de câbles de différents types par rapport à un câble ordinaire équivalent à section constante Rapport entre le poids :Gain sur le poids du : Longueur : du câble à résistance :câble à résistance uni : du : uniforme et celui du :forme par rapport au : câble, m : câble homogène ordi- :câble homogène ordi : : naire :naire : :Câble idéal,:Câble propo-:Câble idéaJ,:Câble propo-: :sans garnis-:sé avec gar-: sans gar- tsé, avec : :sage :nissage : nissage :garnissage = = O ) :léger ( g & = O ) : léger : 10.000 0,70 : 0,75 : 30% : 25% : 20.000 : 0,50 : 0,58 : 50% : 42% On voit que le gain sur le pö'ids du câble proposé ne diffère que très peu du câble idéal à résistance uniforme, et qu'il est par contre nettement supérieur à celui-ci du point de vue de la simplicité de fabrication et des indices économiques. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Câble de levage constitué de fils métalliques et dont les extrémités sont destinées à être fixées à des niveaux différents, au cours du levage, caractérisé en ce qu'au moins une partie des fils sont exécutés en deux tronçons 3, 4 raboutés dans différentes zones de la longueur du câble, et en ce que le tronçon supérieur 3 est constitué par du métal à haute résistance mécanique tandis que le tronçon inférieur 4 est constitué par un matériau dont le poids spécifique est inférieur à celui du métal du tronçon supérieur. 2.- Câble de levage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les longueurs des tronçons supérieurs 3 de fils composés sont choisies de telle façon que la résistance à la rupture du câble dans ses sections transversales passant par les sones de raboutage 10, soit inférieure à la résistance mécanique de l'extrémité supérieure 1 du câble, d'une valeur correspondant au poids propre de sa partie supérieure située au-dessus de la section transversale considérée. 3.- Câble de levage suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les fils sont torsadés-par couches. 4.- Câble de levage suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'entre les couches 6, 8 de fils torsadés est disposée une couche 7 de fils .rectiIignes. 5.- Câble de levage suivant l'une des revendication 1 et 2, caractérisé en ce que les fils constitués par deux tronçons sont sensiblement rectilignes.