Brevet FR2255147A1 — publié le 19750718

La présente invention concerne un appareil travaillant par percussion pour le travail de la pierre, du béton, des minuerais du charbon, des metau , etc., comportant un cylindre renfermant une masse frappante librement mobile axialement et un piston d'entraînement de ladite masse articulé à un mécanisme à manivelle, séparés par un coussin dtair délimité par les faces frontales de ladite masse et dudit piston, allant et venant dans le cylindre pendant le cycle de frappe et mis en communication avec l'air libre ou avec une enceinte du carter de l'appareil par au moins un orifice de ventilation pour compenser ses propres pertes pneumatiques. Dans un appareil à percussion connu de ce genre, ltori- fice de ventilation communique directement avec l'air libre et est situé dans le domaine du bord avant du piston d'entraSne- ment se trouvant au point mort avant. Da force de frappe est réglable et peut être rendue maximale au moyen d'un dispositif tel qu'un robinet modifiant la section de l'orifice de ventilation Cbrevet américain 1 461 460, page 2, ligne 31 à 36; Modèle allemand 1 768 865, page 4, paragraphe 1). On connait également un appareil à percussion comparable dans lequel l'orifice de ventilation est situé dans le domaine du bord arrière de la masse frappante en position de frappe. La masse comporte, sur sa face tournée vers le piston d'entre nement, un appendice cylindrique disposé cozicentriquenent sten- gageant dans une cavité correspondante du piston d'entraînement gRand celui-ci décrit sa course vers l'avant. Dans un appareil à. percussion ainsi conformé deux coussins d'air indépendants l'un de l'autre entrent en action au cours d'une course de travail : dans une première phase de cette course le coussin d'air occupe tout l'espace compris entre le piston et la masse.Dans une seconde phase de la mEme course pendant laquelle l'appendice cylindriqWe de la masse plonge dans la cavite correspondante du piston, un second coussin d'air hermétiquement clos, délimité d'une part par la paroi interne de la cavité du piston et d'autre part par la face frontale de 1 'ap- pendice cylindrique de la masse, entre en outre en action. L'orifice de ventilation, situé directement à hauteur du bord arrière de la masse en position de frappe, assure la compensation des pertes pneumatiques des deux coussins d'air en question. Cosse des essais approfondis l'ont prouvé, un tel appareil à percussion ne permet ni une efficacité suffisante de frappe ni une fabrication en série. Le risque de collision entre masse et piston ne peut visiblement être éliminé que par un second coussin d'air intérieur au piston, hermétiquement clos dans la dernière phase de la course de travail (brevet américain 1 901 779). Prenant spécialement comme point de départ l'état de la technique mentionné en dernier lieu, la présente invention a pour objet d'augmenter sensiblement la force de frappe d'un appareil à percussion du genre défini au début en simplifiant sa construction. Ce but est atteint, conformément à l'invention, par le fait que a) un orifice de ventilation est disposé dans le domaine du bord arrière de la masse frappante en position de frappe, pourvue d'un joint annulaire d'étanchéité, et b) dans un orifice de ventilation au moins, l'écoulement d'air est amorti en comparaison de l'écoulement possible en fonc- tion de la section donnée de l'orifice de ventilation. Dans la présente description, l'expression "derrière le joint annulaire d'étAnohéité"--signifie "du coté du joint tourné vers le piston d'entrat3ement" et l'expression "amortissement de I'écoulement d'air" signifie "diminution du débit par unité de temps, obtenue par des moyens auxiliaires faisant obstacle à l1écoulement". Dans la solution du -problème conforme à l'invention, l'augmentation de la force de frappe stobtient par le guidage absolument étanche de la masse frappante commandée par un coussin d'air unique (contrairement à l'enseignement du brevet américain 1 001 779) conjointement à la disposition du ou des orifices de ventilation dans le domaine du bord arrière de la masse frappante en position de frappe, donc par la mesure indi quée à l'alinéa a) ci-dessus.Le diagramme de la figure 9 donne des indications sur la croissance de la force de frappe L'expérience a révélé que, dans les appareils à percussion tels que définis dans l'introduction possédant les caractéristiques indiquées en a) mais pas celles indiquées en b), des troubles de fonctionnement apparaissent isolément tels que le piston et la masse cessent dtêtre en résonance. Dans ces cas isolés la masse reste en position extrême avant, donc en posi tion de frappe, et n'est plus attirée en arrière par le piston exécutant sa course de retour. Des recherches approfondies ont révélé que ce trouble de fonctionnement se produit lorsque les tolérances étroites d'usinage de la tige d'outil ont été dépassées ne serait-ce que faiblement.Des essais répartis sur des laps de temps prolongés laissent supposer que, dans ces cas de dépassement des tolérances étroites, le rebondissement correct de la masse, indispensable pour le fonctionnement de l'appareil à percussion, n'est plus certain de se produire avec asses de force après impact sur la tige de l'outil. C'est en particulier le cas lorsqu'on travaille un matériau relativement tendre . Dans ces cas de rebondissement insuffisant, la succion à l'intérieur du coussin d'air produite par la course de retour du piston dtentrainement ne suffit plus pour tirer la masse de sa position avant, c'est-à-dire de sa position de frappe. La masse ne peut plus prendre le départ pour un nouveau cycle de frappe.La caractéristique indiquée ci-dessus en b) permet, sans préjudice d'une force de frappe maximale, d'é largir les tolérances étroites d'usinage sans avoir à craindre de troubles de fonctionnement dans le sens ci-dessus. L' élar- gissement des tolérances facilite nettement la fabrication en série et en diminue le colt. Pour l'amortissement de l'écoulement d'air, il conviendra qu'au moins un orifice de ventilation soit recouvert par la masse en position de frappe dans une région de ladite masse appelée partie recouvrante, située derrière le joint annulaire d'étanchéité. D'autres développements avantageux de l'invention sont décrits dans les revendications. Dans ces développements, il importe que la compensation des pertes pneumatiques du coussin d'air par l'orifice de ventilation s'étendent sur un intervalle de temps assez long du cycle de frappe, Ce but est atteint, par exemple, en prévoyant au moins un orifice de ventilation assez grand recouvert par la partie recouvrante de la masse en position de frappe et au moins un orifice de ventilation relativement petit situé derrière le bord arrière de la masse en position de frappe, et/ou un orifice de ventilation un peu plus grand avec amortissement d'écoulement d'air. Les orifices de ventilation recouverts par la partie recouvrante de la masse contribuent à la compensation du coussin d'air.Dans les exemples de réalisation des figures 1, 2 et 3 également, la surface latérale de la masse ne s'applique pas si fortement, dans sa partie recouvrante, à la surface latérale interne du cylindre que l'air ne puisse passer entre les deux surfaces latérales. L'invention est décrite ci-après en détail en se référant à quelques exemples préférés, non limitatifs, de réalisation représentés sur les dessins annexés dans lesquels - la figure 1 montre une partie de l'appareil de percussion selon l'invention, en coupe longitudinale, dans une position de travail dans laquelle le piston d'entraînement se trouve dans la première phase de sa course de retour ;; - la figure 2 montre l'appareil de percussion de la figure 1 dans une position de travail dans laquelle le piston d'entraînement se trouve dans la première phase de sa course de travail - la figure 3 montre, sans carter, une variante de l'appareil dans une position semblable à celle de la figure 1 - les figures 4 à 7 montrent des variantes de la masse frappante destinées à un appareil selon la figure 3 - la figure 8montre une autre variante de l'appareil dans une position de travail semblable à celle de la figure 1; et - la figure 9 est un diagramme montrant en quoi l'efficacité de la frappe de l'appareil à percussion selon l'invention dépend de la distance séparant les orifices de ventilation du bord avant du piston d'entraSnement se trouvant à son point mort avant. L'outil 1 est porté par un porte-outil 2 joint au carter 3 de l'appareil par sa face frontale. Dans le carter 3 est logé un cylindre 4 immobile axialement, contenant une masse frappante 5 librement mobile et un piston d'entraînement 6 articulé, par une goupille 7 et une bielle 8, au maneton 9 de la manivelle d'un mécanisme 9' dont .1' arbre peut être entraî- né en rotation par un moteur quelconque.~Entre la masse frappante 5 munie d'un joint annulaire d'étanchéité 10 ou 100 et le piston d'entraînement 6 également muni d'un joint annulaire d'entraînement 91 se trouve un coussin d'air 12.Pour compenser les pertes pneumatiques à l'intérieur du coussin d'air, ce dernier est mis périodiquement en communication avec l'enceinte 17, 17' du carter par au moins un orifice de ventilation 19, 13 (figures 1 et 2); 130 et 16 (figure 3); 14, 62 (figure 8). Les orifices de ventilation sont des alésages trans verseaux percés dans la paroi du cylindre 4, débouchant dans le domaine du bord arrière de la masse frappante en po;sition de frappe. Les espaces cylindriques en avant de la masse 5 et en arrière du piston 6 sont - en communication avec l'air extérieur ou avec l'enceinte 17 ou 17' du carter. L'espace cylindrique avant 17' communique par des orifices 18 avec ltenceinte 17 du carter.Les orifices de ventilation 19 permettent en meme temps la marche à vide de l'appareil, sans percussion, au cas, par exemple, où l'outil serait retiré du porte-outil ou partiellement sorti de l'espace cylindrique (position d'arrêt), Les orifices de ventilation 19 sont donc en meme temps, fonotion- nullement, des orifices d'arrêt de fonctionnement. En position d'arrêt, la masse frappante 5 s'applique à l'épaulement 65 du carter, les orifices 19 débouchant alors derrière la masse frappante dans l'espace situé entre la masse et le piston, de sorte que la masse ne peut plus être aspiré par le course de retour du piston.Les orifices de ventilation 13, 19 figures 1 et 2); 130, 16 (figure 3); 14, 62 (figure 8) sont placés plus près du bord arrière 20 de la masse en position de frappe que du bord 21 du piston au point mort avant. Les orifices de ventilation-se trouvent donc à une distance du bord avant 21 du piston 6 au point mort avant, supérieure au quart de la course du piston.Dans l'exemple des figures 1, 2 et 8, la longueur de la masse 5 correspond approximativement à celle de la course du piston. Ltextrémité libre, accessible à la masse, de la tige de l'outil I se trouve, dans l'exemple de la figure 3, à une distance du bord avant 21 du piston 6 au point mort avant correspondant approximativement au double de la course du piston. La longueur de la partie de tige d'outil saillant dans ltenceinte du cylindre-guide 4 est moindre que la Longueur de la course du piston. Dans l'exemple de réalisation des figures let 2, ltorifi- ce de ventilation 13 est situé immédiatement - derrière le bord arrière de la masse frappante en position de frappe. La section de cet orifice de ventilation 13 est relativement petite; 0,3 à 8 ss2 (de préférence 0,8 mm) pour un cylindre guide de 30 nna de~diamètre environ. Outre l'orifice de ventilation 13, le cylindre comporte deux autres orifices de ventilation 19, d'assez grande section, disposés dans un plan perpendiculaire à l'axe du cylindre0 Quand la masse frappante est en position de frappe, ces orifices de ventilation sont recouverts par une portion de cette masse située en arrière du joint annulaire 10.Ce dernier est placé symétriquement au plan de symétrie de la masse perpendiculaire à l'axe de l'ou- til. Dans cet exemple des figures I et 2 la compensation nécessaire du coussin d'air s'effectue donc par l'orifice de ventilation relativement petit 13 et les orifices de ventilation relativement grands 19 recouverts par la partie recouvrante de la masse frappante. Ce dernier recouvrement est possible du fait que la surface latérale de la masse, dans la partie recouvrante, ne s'applique jamais assez étroitement à la surface interne du cylindre pour rendre impossible tout mouvement d'air. Dans les exemples, la distance de la surface latérale de la masse, dans la partie recouvrante, à la surface latérale interne du cylindre 4 est d'au moins 2/100 mm (figures 1, 2 ; 3).La compensation du coussin d'air se répartit donc sur un laps de -temps du cycle de frappe assez grand avec un apport modéré d'air de compensation. Ceci assure que, dans tous les cas, la masse frappante 5 en position de frappe sera aspirée et mise en position de départ pour un nouveau cycle de frappe, même si le rebondissement de la masse, nécessaire à ce nouveau départ, après impact sur la tige de l'outil 1, n'est pas assez fort.Du fait, que, comme l'indique le diagramme de la figure 9, par un décalage de l'orifice de ventilation 13 en direction du piston d'en'cre- nement 6, on doit escompter une diminution de puissance, il résulte qu'il n'y aurait pas toujours, dans le coussin d'air, une répartition régulière de pression mais bien au contraire qu'il y aurait, à l'arrière de la masse en position de frappe et dans la zone de la partie recouvrante 5b; 52; 59; 52a; 54, au moment de l'impact, une zone de forte-succion amorçant intensivement le processus de compensation d'air et favorisant également le départ de la masse pour un nouveau cycle de frappe après rebondissement sur l'outil, ceci étant la raison d'une efficacité augmentée. La disposition symétrique du joint annulaire dans le plan de symétrie de la masse perpendiculaire à l'axe de l'outil permet de remplacer la masse, après usure unilatérale, dans le cylindre-guide après inver sinon de Sa position de 1800. Dans l'exemple de la figure 3, l'orifice de ventilation 130 est assez petit. Sa section peut être comprise entre 0,3 et 8 mm de préférence 1,5 mm, pour un diamètre du cylindre- guide d'environ 30 mn. L'orifice de ventilation 130 est recouvert par la partie recouvrante 59 de la masse 5 en position de frappe. La surface latérale de la masse dans la partie recouvrante 59, dont le diamètre est égal au diamètre maximal de la masse, se trouve à faible distance radiale de la surface latérale interne du cylindre. Cette distance est d'au moins 0,62 mm et, de préférence, 0,05 mm. Les alésages 190 dans le cylindre-guide 4 ne sont que des orifices d'arret car ils sont situés dans la zone placée en avant du joint annulaire 101 de la masse et ne communiquent donc pas avec le coussin d'air 12. La partie 51 de la masse, du c8té frappe, de diamètre réduit, n'a aucun rôle fonctionnel et ne sert qu'à alléger la masse. Un autre orifice de ventilation assez grand, situé derrière le bord arrière de la masse 5 en position de frappe, est amorti par le fait qu'il débouche dans une conduite 16' menant à une enceinte-tampon close du carter. Dans la variante de masse frappante selon la figure 4, la surface latérale de la partie recouvrante 52 de la masse se trouve à distance radiale de la surface latérale interne du cylindre. Pour un diamètre du cylindre-guide d'environ 30 mm, cette distance est de 2 mm au plus, et de préférence de 3/10 mm. La partie recouvrante de la masse se prolonge directement par la rainure circulaire 101 logeant le joint annulaire 100, ce qui constitue un avantage pour la fabrication. La partie principale 50 de cette masse, située en avant du joint annulaire, correspond à la longueur de la partie principale 50 de la masse de la figure 3. Dans l'exemple de la figure 5, cette partie principale 50a est-nettement plus courte. la partie 53a de la masse, si- tuée derrière le joint annulaire, est nettement plus longue que celle de la partie 55 de la masse de la figure 7. Àvec cette conformation, il ne se tproduit pas seulement une succion intensive d'air de compensation au moment où la masse se trouve en position de frappe, mais aussi une aspiration supplémentaire lorsque la masse se trouve encore plus rétractée, pour autant que l'orifice de ventilation 130 n'ait pas encore été dépassé par le joint annulaire 100. la condition préalable à cet effet est que la distance séparant le joint annulaire 100 de la masse du bord arrière de cette masse soit à peu près égale à la distance séparant le bord arrière de la masse en position de frappe du bord avant du piston d'entralnement se trouvant au point mort avant. Des conditions semblables existent dans la variante de masse frappante selon la figure 6. Dans celle-ci, la partie recouvrante 52a de la masse a une conformation tronconique. il s'y raccorde encore, vers l'arrière, une autre partie 56a dont le diamètre correspond au diamètre maximal de' la masse. Un alésage axial 81 au moins, devant permettre la compensation d'air, traverse cette partie 56 en forme de flasque. La masse frappante de la figure 7 se distingue de celle de la figure 4 par une partie 55 de diamètre maximal placée entre la rainure circulaire 101 et la partie recouvrante 52 de la masse La section du ou des orifices de ventilation non recouverts 13 des figures 1 et 2 ou 62 de la figure 8 est inférieure à la moitié de la section des orifices de ventilation recouverte 19 des figures 1 et 2 ou 14 de la figure 8; elle représente, de préférence, 1/30ème dans le cas des figures 1 et 2 ou 1/10'ème dans le cas de la figure 8, de celle du ou des orifices recouverts 19 ou 14. Dans l'exemple de réalisation de la figure 8, la masse frappante 5 comporte une partie recouvrante 54 venant obturer l'orifice de ventilation assez grand 14, et dont le diamètre est inférieur d'environ 3/10 mm au diamètre maximal de. la masse. l'écoulement d'air par l'orifice 14 est amorti pendant la compensation du coussin d'air 12 par le fait que cet orifice débouche dans la conduite 14' menant au réservoir d'huile 60 et qu'il est en gême temps recouvert par la partie recouvrante 54 de la masse en position de frappe. Entre la conduite 14' et l'enceinte 17 du carter, il est prévu un orifice de communication 63 situé au voisinage i la soupape d'admission d'huile 61. Derriere le bord arrière de la masse en position de frappe il est prévu un autre orifice de ventilation relativement petit 62 dont la section est d'environ 0,8 mm2 Dans tous les exemples de réalisation, la partie recouvrante de la masse frappante située derrière le joint annulaire a une longueur axiale telle que 1' orifice de ventilation situé dans le domaine de cette partie recouvrante quand la ruasse est en position de frappe restera toujours au moins partiel- lement dans la zone de la partie recouvrante, donc dans la zone de la région intensive de succion, que la tige de l'outil soit longue ou courte. Sur le diagramme de la figure 9, les forages en mm/mn sont portés en ordonnées et les distances séparant l'orifice d'équilibrage d'air du point iaort avant du piston sont portées en abscisses. Les données de l'appareil sont : course 34 mn; diamètre du cylindre 30 mn; diamètre de 1 'orifice d'équilibra- ge d'air 1,8 mn; nombre de percussions 2 200 par minute; distance entre le bord avant du piston d'entrainement au point mort avant et le bord arrière de la masse frappante en position de frappe 24 mn. Comme le montre le diagramme, la puissance de forage est d'environ 40 m /wn quand l'orifice est dans le domaine du bord avant du piston au point mort avant. Si l'on diplace l'orifice vers le piston, la puissance de forage augmente à peu près linéairement jusqu'à atteindre environ 44 mm/mn. Si l'on déplace l'orifice vers l'outil cette puissance baisse fortement au fur et à mesure qu'augmente la distance du bord avant du piston au point mort avant jusqu'à atteinre 33 mm/mn. C est ce minimum qui est atteint lorsque la distance entre 1 'orifi- ce de ventilation et le piston au point mort avant est d'environ 6 mi. Ensuite, si l'on déplace encore le point mort avant vers l'outil, la puissance de forage augmente fortement pour atteindre un maxinnun pour une distance d 'environ 23 mn. Dans beaucoup de cas, il peut etre avantageux, dans un appareil à percussion du genre défini au début, de disposer tous les orifices de ventilation dans le domaine du bord arrière de la masse frappante en position de frappe de façon que ces orifices se trouvent derrière le bord arrière de la masse. Dans ce cas, le joint annulaire dtétanchéité 10 ou 100 se trouvera à une distance du bord arrière de la masse au moins double du diamètre du ou des orifices de ventilation. L'intervalle séparant la surface latérale de la masse, dans la partie en arrière du joint annulaire, de la surface latérale interne du cylindre 4 sera, dans une telle conformation, d'au moins 2/100 mm. REVENDICATIONS 1.- ippareil travaillant par percussion pour le travail de la pierre, du béton, des minerais, du charbon, des métaux, etc., comportant un cylindre renfermant une masse frappante librement mobile axialement et un piston d'entrarnRment de ladite masse articulé à un mécanisme à manivelle, séparés par un coussin d'air délimité par les faces frontales de ladite masse et dudit piston, allant et venant dans le cylindre pendant le cycle de frappe et mis en communication avec l'air libre ou avec une enceinte du carter de l'appareil par au moins un orifice de ventilation pour compenser ses propres pertes pneumatiques, caractérisé en ce qu'un orifice de ventilation est disposé dans le domaine du bord arrière de la masse frappante en position de frappe, pourvue d'un joint annulaire d'étanchéité, et en ce que, dans un orifice de ventilation au moins, l'écoulement d'air, est amorti en comparaison de l'écoulement possible en fonction de la section donnée de orifice de ventilation. 2.- Appareil de percussion selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour l'amortissement, au moins un orifice de ventilation est recouvert par la masse frappante en position de frappe dans une région de ladite masse appelée partie recouvrante, située derrière le joint annulaire d'étanchéité. 5 appareil de percussion selon is revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la distance séparant le joint annulaire du bord arrière de la masse est supérieure au double du diamè- tre de l'orifice de ventilation, et en ce que le diamètre de la masse dans la partie recouvrante est égal au diamètre maximal de ladite masse. 4.- Appareil de percussion selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la surface latérale de la masse dans la région recouvrante est éloignée radialement de la surface latérale interne du cylindre, cet éloignement étant au plus de 2 mm, et de préférence de 3/10 mm, pour un diamètre de cylindre d'environ 30 mm. 5.- Appareil de percussion selon la revendication 4, caractérisé en ce que la partie recouvrante de la masse se prolonge directement dans la rainure circulaire logeant le joint annulaire d'étanchéité. 6.- Appareil de percussion selon une quelconque des reven dications 1 à 5, caractérisé en ce que le joint annulaire est éloigné de la partie recouvrante de la masse. 7.- Appareil de percussion selon une quelconque des re vendications n à 6, caractérisé en ce que le joint annulaire de la masse se trouve à une distance du bord arrière de celle-ci approximativement égale à la distance séparant ce bord arrière de ladite masse en position de frappe du bord avant du piston d'entraînement se trouvant au point mort avant 8.- Appareil de percussion selon une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte un orifice de ventilation unique. 9.- Appareil de percussion selon une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte au-moins deux orifices de ventilation, l'un au moins n'étant recouvert à aucun moment du cycle de frappe, la section totale des orifices non recouverts étant inférieure à la moitié de la section totale des orifices recouverts et de préférence égale à 1/30 ou à 1/10 de cette dernière. 10.- Appareil de percussion selon une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les orifices de ventilation sont situés à une distance du bord avant du piston d'entrainement au point mort avant supérieure au quart de la longueur de la course dudit piston, la longueur axiale de la masse frappante correspondant approximativement à la longueur de ladite course, et en ce que l'extrémité libre, accessible à la masse, de la tige de ltoutil est dispos a une S ancre du bèrd avant du piston au point mort avant correspondant ap Sroximativement eu double de la course 3.i,r piston, la section des orifices de ventilation étant comprise entre 0,3 et 8 mm2 et, de préférence entre 0,8 et fg,5 mu2. 11.- Appareil de percussion selon une que' congue des re vendications 1 à 10, car ctérisé en ie que, pour l'amortissement, au moins un orifice de ventilation débouche dans une chambre à air close et qu'il est prrvu un orifice de communication entre la conduite joignant ledit orifice au réservoir d'huile de l'appareil et l'enceinte du carter dudit appareil. 12.- Appareil de percussion selon une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le joint annulaire d'étanchéité de la masse frappante est situé à une distance du bord arrière de ladite masse supérieure au double du diamètre du ou des orifices de ventilation disposés en arrière du bord arrière de ladite masse, la