Brevet FR2345644A1 — publié le 19771021

L'invention concerne une soupape de sûreté pour limiter la pression hydraulique de fonctionnement d'un vérin à piston, en particulier pour un étançon hydraulique appartenant à un chevalet de soutènement d'un chantier souterrain, ladite soupape présentant, entre un canal d'arrivée en communication permanente avec l'espace sous pression du vérin hydraulique et un canal de sortie débouchant dans l'atmosphère, un obturateur en une matière souple et élastique qui est traversé en son centre par un trou axial et dont la périphérie est soumise à une pression de gaz. Dans un type de construction connu d'une soupape de sûreté de ce gen-re, le canal d'arrivée forme la partie centrale d'un pied de soupape en ferme de tige filetée qui se visse de façon étanche au liquide sous pression, dans un trou taraudé conduisant dans la chambre pression d'un étançon de soutènement. Une partie supérieure de la soupape formant le corps de soupape proprement dit est fixé, de façon démontable, mais étanche au liquide sous pression, sur la partie du pied de soupape qui dépasse de la périphérie extérieure de l'étançon de soutènement. Le corps de soupape présente dans son extrémité libre un canal de sortie dans le prolongement de l'axe du canal d'arrivée du pied de soupape.A l'intérieur du boîtier est fixé un obturateur en une matière souple et élastique, comme par exemple du caoutchouc synthétique, dont le contour extérieur a une forme qui correspond dans une large mesure à celle d'un diabolo. La fixation est réa- lisée par encastrement axial et radial des deux extrémités en forme de cylindres creux de l'obturateur. Celui-ci est traversé en son centre par un trou axial qui est en communication d'un côté avec le canal d'arrivée et de l'autre côté avec le canal de sortie. Dans la partie médiane de sa longueur, l'obturateur traverse une chambre à pression de plus grand diamètre dans laquelle il est entouré d'une atmosphère d'azote comprimé dont la pression est réglée à la valeur de la pression limite de l'étançon.Cette pression, qui est par exemple de 500 bars, s'exerce de tous les côtés sur l'obturateur souple et élastique et le déforme à tel point que le trou axial qui le traverse se trouve complètement obturé. De cette manière, le fluide hydraulique qui actionne l'étançon sty trouve impeccablement enfermé. C'est seulement lorsque la pression atteint sa valeur limite qui correspond à la pression de l'atmosphère d'azote que le liquide hydraulique sous pression vainc brusquement la pression de fermeture de la soupape et se détend à la pression atmosphérique par le trou axial et le canal de sortie qui lui fait suite. Un inconvénient essentiel du type de construction connu est la relativement courte durée de tenue de l'obturateur. Cela est du en partie aux phénomènes de vieillissement du caoutchouc synthétique causé par les mouvements de déplacement interne lors de la détente du fluide de travail et lors de la fermeture du trou axial sous l'effet de la pression du gaz qui s'exerce sur la surface périphérique. Une autre raison est que la surface du trou axial devient de plus en plus rugueuse, en commençant par le voisinage de son orifice du côté du canal d'arrivée. Cette région voisine de l'orifice constitue en effet en même temps l'endroit où se détent l'air dissous dans le liquide hydraulique lorsqu'il se détend subitement à la pression atmosphérique. L'éclatement des bulles d'air qui se produit alors attaque la surface du trou axial et la rend rugueuse.Dans le cas où les processus de détente se répètent fréquemment, comme on peut l'observer dans l'exploitation de chantiers souterrains, les parties de la surface du trou central qui se trouvent plus loin en allant vers l'atmosphère se trouvent également de plus en plus détériorées par les éclatements suivants si bien qu'au bout~d'unel;;4, ment court, toute la surface du trou central se trouve érodée, c'est-à-dire qu'elle devient rugueuse. Mais alors la progression de la rugosité entraîne un agràn- dissement de la section du trou axial. Or, pour obtenir l'effet d'étanchéité désiré, tel qu'il existe quant la surface du trou axial est en bon état, il faut que l'atmosphère d'azote comprime plus fortement l'obturateur. Ceci a pour conséquence qu'à la périphérie de l'obturateur, la chambre à pression qui contient l'atmosphère d'azote s'agrandit nécessairement et qu'ainsi la pression du gaz diminue. De ce fait, la pression d'ouverture de la soupape de sûreté s'abaisse à son tour, si bien que sur une duree prolongée, il est tout simplement impossible de maintenir une pression d'ouverture exacte. Le problème à la base de l'invention est donc de réaliser une soupape de sûreté du genre envisagé au préambule dans laquelle il ne puisse pas se produire, lors d'un dépassement de la pression limite, une décompression subite avec l'érosion dûe à l'éclatement des bulles d'air qui en est la conséquence, et dans laquelle l'obturateur soit sujet à de moindres mouvements de dé placement interne, afin d'obtenir de cette manière une plus grande longévité de l'obturateur et le maintien sur une plus longue durée d'une pression d'ouverture exacte. Ce problème est résolu suivant l'invention par le fait que le trou axial de l'obturateur est traversé longitudinalement par un élément d'appui en forme de doigt présentant sur au moins un segment de sa longueur une porosité perméable au liquide, ledit segment de longueur poreux étant au moins indirectement en communication avec le canal de sortie pour permettre un ecoulement du liquide. Un avantage de l'insertion d'un élément d'appui en forme de doigt dans le trou axial au centre de l'obturateur réside dans le fait que les parois de l'obturateur ne sont plus soumises qu'à de faibles mouvements de déplacement interne. La raison en est que, déjà lorsque la soupape de sûreté est en position de fermeture, l'obturateur a une bonne portée contre l'élément d'appui, et ceci dans une large mesure sans être déformé par rapport à son état initial. Il ne se produit par conséquent de déformation que lors d'une surpression, l'obturateur ne se dilatant toutefois que dans une inesure insignifiante. La longévité de l'obturateur se trouve de ce fait remarquablement prolongée. On voit un autre avantage important dans la conception de l'élément d'appui du point de vue des matériaux dont il est constitué. Si maintenant, sous l'effet d'une surcharge, la pression du liquide hydraulique dans le vérin à piston atteint la pression d'ouverture de la soupape de sûreté, c'est-à-dire la pression initiale de l'atmosphère d'azote qui entoure l'obturateur, le liquide sous pression se fraye un passage entre la périphérie extérieure de l'élément d'appui et la paroi du trou axial de l'obturateur jusqu'à la portion de la longueur de celuilà qui est poreuse et perméable aux liquides et il se détend progressivement à travers ce matériau à fine porosité jusqu'à la pression atmosphérique. Il existe donc un effet d'étranglement qui n'évite pas seulement la chute de pression brutale, mais qui évite aussi par là un éclatement des bulles d'air que renferme le fluide de travail. Cela évite des détériorations de la surface interne de l'obturateur sous forme d'érosions. L'obturateur reste plus longtemps en état de fonctionnement. En cas de surpression dans le vérin, il se produit, par la pénétration du liquide hydraulique dans l'interstice qui s'agrandit lentement entre l'élément d'appui et l'obturateur, une diminution de pression légère, mais continue. Dans ces conditions, on peut aussi, par le choix de la longueur du segment réalisé en matière poreuse perméable au liquide ainsi que par le choix de la nature et de l'épaisseur de cette matière, régler avec une très grde sensibilité le temps au bout duquel la surpression du fluide de travail doit être supprimée. Un autre avantage réside dans le fait qu'en raison de la fine porosité du segment de longueur perméable au liquide, le fluide de travail se trouve conduit à travers cette matière en filets très fins, c'est-à-dire de faible volume. Des inclusions d'air encore éventuellement présentes ne peuvent en conséquence osciller que dans un ordre de grandeur qui correspond au volume de ces filets finement divisés. Si de telles inclusions d'air devaient par la suite se détendre par explosion, il n'en résulte qu'une très faible sollicitation qui, par conséquent, ne peut pas entrainer des détériorations sérieuses sur l'obturateur. Suivant un mode de réalisation préférentiel de l'objet de l'invention, le segment de longueur de l'élément d'appui qui est poreux et perméable au liquide est en un matériau fritté, en particulier du bronze fritté. Bien entendu, rien ne s'oppose à ce qu'au lieu de bronze fritté, on utilise aussi une au- tre matière permettant un abaissement lent et continu de la pression. Pour certains cas d'utilisation, un mode de réalisation avantageux de l'invention consiste dans le fait qu'il est prénv un matériau poreux-perméable au liquide uniquement dans la partie médiane de la longueur de l'élément d'appui et que ce matériau poreux est relié au canal de sortie par un trou axial traversant l'élément d'appui. Cet agencement permet par exemple qu'en cas de surpression, on peut obtenir déjà, sur la portiez de longueur située en amont du matériau poreux, un-certain Dans sement préalable de la pression du fluide hydraulique, qui se continue ensuite d'une façon absolument continue dans la matière poreuse perméable au liquide.De cette façon également, on évite une chute brutale de la pression et on protège dans une large mesure l'obturateur contre des sollicitations extérieures et contre des phénomènes internes de vieillissement. Pour diminuer èncore davantage les mouvements de dépla cement interne de l'obturateur, réduire à un minimum les phénomènes de vieillissement et augmenter la longévité, l'invention prévoit en outre de façon égale de dimensionner, sur toute la longueur de l'élément d'appui, l'épaisseur de paroi de l'obturateur appliqué par la pression du gaz contre l'élément d'appui en réalisant l'étanchéité au liquide sous pression. De la sorte, l'obturateur est soumis sur toute la longueur de l'élément d'appui à une pression d'application uniforme qui ne diminue que dans une mesure insignifiante la forme initiale de l'obturateur Dans ce contexte, il peut être avantageux suivant l'invention que l'élément d'appui ait une forme légèrement conique, la grande base étant du; côté du canal de sortie.Mais autre part, il peut être tout aussi avantageux que l'élément d'appui soit cylindrique sur la majeure partie de sa longueur et se termine seulement par une partie conique de diamètre croissant à son extrémité qui est du côté du canal de sortie. On comprendra mieux l'invention à partir de la description détaillée ci-après d'un mode de réalisation particulier de son objet, en se reportant à l'unique dessin annexé, donné ici uniquement à titre d'exemple explicatif et sans aucun caractère limitatif, qui représente une coupe longitudinale de la soupape de sûreté suivant l'invention, en place sur un étançon hydraulique de mine. La référence 1 désigne l'ensemble de la soupape de sûreté qui se visse par son pied en forme de tige filetée 2 dans un trou taraudé 3, l'assemblage étant étanche au liquide sous pression. Le trou taraudé 3 est percé dans la paroi 4 d'un étançon hydraulique pour chantiers souterrains qui n'est pas représenté plus précisément. La référence 5 désigne une bague d'étanchéité. La profondeur à laquelle se visse le pied 2 de la soupape est limitée par une collerette annulaire 6 qui vient buter contre la face extérieure 7 de la paroi 4 de l'étançon. Le pied de soupape présente en outre un canal d'arrivée central 8 qui est en communication permanente avec la chambre à pression 9 de l'étançon hydraulique. La référence 10 désigne la partie supérieure formant le corps proprement dit de la soupape de sûreté 1. La fixation du corps de soupape sur le pied de soupape 2 est réalisée en emboîtant à force l'extrémité 11 du corps de soupape qui se trouve du côté de la paroi 4 de l'étançon et qui a une section en forme de couronne circulaire sur un prolongement cylindrique 12 du pied de soupape, en saillie par rapport à la collerette annulaire 6 jusqu'à ce que la tranche terminale 13 de l'extrémité 11 du corps de soupape vienne porter sur la surface annulaire extérieure 14 de la collerette 6.La fixation axiale des parties du boîtier est réalisée au moyen d'un fil d'acier 15 qu'on introduit à partir de la surface périphérique extérieure de la soupape dans un logement toroldal formé par la réunion de deux gorges à section semi-circulaire 16 et 17 pratiquées respectivement dans la surface extérieure du prolongement cylindrique 12 et dans la face intérieure de l'extrémité 11 du corps supérieur. L'extrémité libre du corps de soupape 10 présente un canal de sortie central 18 qui débouche à l'atmosphère libre. Ce canal présente, à une certaine distance de la tranche terminale antérieure 19 du corps de soupape, un diamètre agrandi formant un chambrage 20 dans lequel est logée une pièce de centrage 21 en matière plastique dure.La pièce de centrage 21 est percée d'un trou axial 22 et présente à chacune de ses extrémités une partie cylindrique de diamètre réduit, 23 et 24 respectivement. La partie cylindrique 23 est emmanchée avec serrage~dan=rinr-~ 6 partie de la longueur du canal de sortie 18 qui a un diamètre réduit en réalisant un assemblage étanche aux gaz sous pression. L'étanchéité est obtenue par le fait que la surface annulaire 25 qui fait suite à la partie cylindrique 23 a une forme légèrement conique, ce qui assure ainsi des conditions d'étanchéité impeccables à l'endroit du raccordement entre la partie du canal de sortie qui a un diamètre réduit et la surface annulaire 26, perpendiculaire à la précédente, de la partie 20 dont le diamètre est plus grand. Le prolongement cylindrique 24 de la pièce de centrage 21 a un profil longitudinal légèrement bombé et est emboité dans l'extrémité à section annulaire 27 d'un obturateur 28 dont la surface extérieure est en forme de diabolo. L'autre extrémité 29 de l'obturateur 28 a également une forme annulaire, mais elle présente une section intérieure conique 30. Les parois de cette extrémité sont emboîtées dans une gorge annulaire correspondante 31, à section en "V", du prolongement cylindrique 12 du pied de soupape. L'encastrement est renforcé par le fait que le corps de soupape 10 présente une collerette intérieure 32 qui comprime une collerette extérieure 33 de l'obturateur 28 contre la tran che terminale 34 du prolongement cylindrique 12 du pied de soupape.L'obturateur est en conséquence fixé à la fois au corps de soupape et au pied de soupape d'une façon étanche aux'gaz et aux liquides sous pression. L'obturateur 28 présente en outre en son centre un trou axial 35 qui le traverse et est ainsi en communication d'un côté avec le canal d'arrivée 8 dans le pied de soupape 2 et de l'autre côté avec le trou longitudinal 22 qui traverse la pièce de centrage 21, donc aussi avec le canal de sortie 18. Dans le trou axial 35 est enfilé un élément d'appui en forme de doigt 36. L'élément d'appui est cylindrique sur la plus grande partie 37 de sa longueur et, à son extrémité 38 voisine de la pièce de centrage, il forme une tête conique de plus fort diamètre. Il est en majeure partie en acier et présente dans la partie médiane de sa longueur une partie à fine porosité 39 perméable au liquide, avec un trou central ziO. Ce trou communique avec un trou axial 41 de la pièce d'appui qui débouche dans le trou 22 de la pièce de centrage 21. La partie médiane de la longueur de l'obturateur 28, dont la surface extérieure est en forme de diabolo se trouve dans un chambrage 42 de plus grand diamètre du corps de soupape 10, rempli d'une atmosphère d'azote sous une pression qui est, par exemple de 500 bars. Cette pression a pour effet d'appuyer la paroi intérieure 43 de l'obturateur, qui est en une matière souple et élastique, comme par exemple du caoutchouc synthétique, contre la surface 44 de i'élément d'appui, ce qui établit une étanchéité impeccable à l'interface entre l'élément d'appui et l'obturateur, empêchant ainsi le fluide sous pression qui se trouve dans le canal d'arrivée 8 de s'échapper ou de perdre sa pression. Si maintenant la pression qui rogne dans la chambre à pression 9 de l'étançon hydraulique augmente au delà de la pression de réglage de l'atmosphère d'azote contenue dans le chambrage 42, le liquide hydraulique s'introduit dans l'interstice entre l'élément d'appui 36 et l'obturateur 28 en agrandissant lentement cet interstice et subissant de ce fait un léger abaissement préalable de sa pression. Quand le liquide atteint la portion de longueur 39 qui est poreuse et perméable, sa pression se détend ensuite d'une façon continue jusqu'à la pression atmosphérique, le liquide hydraulique en excès étant éjecté dans l'atmosphère en passant par le canal de sortie 18. La pression du liquide hydraulique s'abaissant en conséquence devient inférieure à la pression de réglage de l'atmosphère d'azote, si bien que ce gaz sous pression appuie à nouveau l'obturateur d'une façon impeccable contre la surface de l'élément d'appui et empêche le liquide hydraulique de s'échapper ou de continuer à perdre sa pression. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Soupape de sûreté pour limiter la pression hydraulique de fonctionnement d'un vérin à piston, en particulier pour un étançon hydraulique appartenant à un chevalet de soutènement d'un chantier souterrain, ladite soupape présentant, entre un canal d'arrivée en communication permanente avec l'espace sous pression du vérin hydraulique et un canal de sortie débouchant dans l'atmosphère, un obturateur en une matière souple et élastique, qui est traversé en son cotre par un trou axial et dont la périphérie est soumise à une pression de gaz, caractérisé par le fait que le trou axial (35) de l'obturateur (28) est traversé longitudinalement par un élément d'appui en forme de doigt (36) présentant sur au moins un segment de sa longueur une porosité perméable au liquide, ledit segment de longueur poreux perméable au liquide (39) étant au moins indirectement en communication avec le canal de sortie (18) pour permettre un écoulement du liquide. 2. Soupape suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le segment de longueur de l'élément d'appui (36) qui est poreux et perméable au liquide (39) est en un matériau fritté, en particulier du bronze fritté. 3. Soupape suivant l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait qu'il est prévu un matériau poreux perméable au liquide (39) uniquement dans la partie médiane de la longueur de ltélément d'appui (36) et que ce matériau poreux est relié au canal de sortie (18) par un trou axial (41) traversans l'élément d'appui (36). 4. Soupape suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que l'épaisseur de paroi de l'obturateur (28) appliqué par la pression du gaz contre l'élément d'appui (36) en réalisant l'étanchéité au liquide sous pression est dimensionnée de façon égale sur toute la longueur de l'élément d'appui (36). 5. Soupape suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que l'élément d'appui (36) a une forme légèrement conique, la grande base étant du côté du canal de sortie (18). 6. Soupape suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que l'élément d'appui est cylindrique sur la majeure partie (37) de sa longueur et se termine seule ment par une partie conique de diamètre croissant à son extrémité (38) qui est du côté du canal de sortie (18).