Brevet FR2391372A1 — publié le 19781215

La présente invention est relative a un cylindre hydrau lique destiné a créer des vibrations, et plus particulièrement des vibrations mécaniques destinées a différèntes applications faisant intervenir ou susceptibles de faire appel a des vibrations, telles que des systèmes pour l'entassement, des perforatrices de rochers et analogues. D'une manière générale, on connaît des appareillages de ce type tels que par exemple celui décrit dansa demande de brevet japonais n0 21580/72 et dont le principe est illustré aux figures la et lb du dessin annexé. Dans ce dispositif, l'appareillage est tel qu'un piston 101, animé d'un mouvement alternatif dans un cy lindre hydraulique 100 est soumis sur un-côtéseulement a une force de retour (par exemple sous l'effet d'un ressort 109) tandis qu'un tube 104 est relié a une chambre sous pression hydraulique-102 sur l'autre côté , non soumis a une chargede retour,un-agent flui de de pression hydraulique tel que de l'huile provenant d'un ré servoir 108 étant envoyé par ce tuyau, én provenance d'une source 107 telle qu'une pompe P et introduit dans cette chambre 102 et en est évacué de manière alternative par -une soupape de contrô le 106 de manière telle que la pression dans la chambre hydraulique 102 est alternativement accrue et diminuée manière à provoquer le déplacement alternatif du piston 101 dans une direction axiale. Selon une variante, le piston est soumis de chaque côté à une force de retour, comme il est décrit à la figure la du dessinannexé , et dans ce cas un agent de pression hydraulique est alternativement admis et évacué de chambres sous pression 102 et 103 de chaque côté du piston par la soupape de contrôle 106. Toutefois, cet appareillage classique pressente les inconvénients suivants Le cylindre 100 et la soupape 106 sont indépendants l'un de l'autre et doivent être réunis ensemble par des tubes 104 et 105 , ce qui entraîne que quandl'une ou l'autre des chambres sous pression 102 et 103 du cylindre 100, par exemple la chambre 102, est soumise à la pression hydraulique de -l-'huile, la pres sion dans la chambre 102 n'est pas accrue jusqu'a un degré suffi- sant pour que le fluide correspondant au volume interne du tube 104 soit totalement comprimé tandis qued'autre part, quand la chambre sous pression 102 est réunie à la conduite d'év2cuation,il se produit un temps de latence dans la diminution de pression dans la chambre, d'un degré correspondant au temps nécessaire pour la dilatation de ce fluide. Cela a pour conséquence crue ce cylindre de vibration présente un retard dans son fonctionnement , proportionnellement au volume de fluide Drésent dans les tubes de connection et par suite quand ce cylindre fonctionne à une fréquence de vibration élevée, il peut difficilement avoir une amplitude voulue de vibration. Au surplus, si on utilise un cylindre vibrant à haut rendement, une quantité considérable d'énergie hydraulique est consommée pour la compression du fluide dans les tubes, de manière à amener lapression hydraulique au cYlindre. Le cylindre hydraulique générateur de vibration selon la présente invention présente au contraire une telle sensibilité qu'il est facile d'obtenir l'amplitude voulue de vibration même quand il est utilisé à une fréquence de vibration élevée. La présente invention a donc pourobjet un cylindre hydraulique générateur de vibration présentant cet avantage et qui est de dimensions si compactesque l'énergie hydraulique nFces- saire pour son fonctionnement peut être très faible. Les buts et avantages de l'invention ainsi que ses as- plications apparaîtront plus clairement grâce à la description suivante correspondant au dessin annexé sur lequel - les figures la et lb représentent,comme il vient d'être indiqué, le schéma de fonctionnement des disnositifs classiques dans lesquels le cylindre vibre sous l'effet de soupapes de contrôle séparées. - la figure 2 est une coupe latérale illustrant le premier mode de réalisation de la présente invention - la figure 3 est une vue en nerspective d'une soupape à rotor istilisée dans ce mode de réalisation. - la figure 4 est une coupe suivant IV-IV de la figure 2. - la figure 5 est une coupe Illustrant un seconde mode de réalisa tion de 'a présente invention - la figure 6 est une coupe illustrant une variante de ce second mode de réalisat:ion - la figure 7 est une coupe illustrant un troisième mode de réali sation de la présente invention. Si l'on se réfère tout d'abord a la figure 2, on voit que dans ce premier mod d réalisation selon l'invention , un corps de cylindre de forme générale cylindrique et désigné par la référence 10 supporte un piston de forme générale cylindrique et animé à l'intérieur dW-un mouvement de glissement Ce piston présente une portion creuse 21 à l'intérieur de laquelle est monté le rotor 30 d'une soupape formant un élément d'une soupape de contrôle rotative qui sera décrite plus loin. Ce rotor 30 présente une portion terminale 30b de plus petit diamètre, inséré dans un orifice terminal facial du corps de cylindre 10, cette portion 30b portant une butée : voisine d'une paroi faciale terminale externe du corps 1O, cette butée empêchant tout déplacement axial du rotor de la soupape 30 par coopération avec une portion intermédiaire d'un diamètre plus grand et situé au voisinage de la portion terminale 30b.Sur le rotor 30 et espacéede la portion terminale 30b, est montée une portion de soupape dite de transfert, 31, tandis que l'extrémité libre du rotor 30 présente une autre portion à plus grand diamètre 32, axialement espacée de cette- portion de transfert 31 et ayant pratiquement le même diamètre qu'elle. Comme on le voit mieux sur les figures 3 et 4,- la portion de transfert 31 présente sur sa surface périphérique deux séries d'encoches 33 et 34 espacées axialement, et s'étendant circonférentiellement et disposées à intervalles égaux. On doit noter que les encoches 33 et 34 sont disposées alternativement par rapport au rotor.Il doit etre bien entendu que le piston 20 et la soupape rotative 30 cooptèrent l'un avec l'autre et sont amenés à former une soupapede contrôle rotative, le piston servant de stator à la soupape par rapport au rotor 30. Les faces intérieures sous charges 11a,12a du piston 20, c'est à dire lesfaces avant et trière d'une portion à plus grand diamètre de celui-ci et les parois périphériques du corps 10 définissent deux chambres annulaires à fluide Il et 12. La chambre 11, qui fait face à la face sous charge pila, présentant une superficie plus Faible, communique avec un orifice d'alimentation enfluide P pratique à travers uneparol périphérique du corps de cylindre 10, de telle sorte qu'elle est en permanence soumise à la pression du fluide. Une portionde la paroi périphérique du piston 20 présente également un orifice 25, permettant à la chambre de fluide 11 de cosmuniquer avec la chambre creuse 21 du piston. Par ailleurs-, cette chambre creuse 21 communique avec la chambre fluide 12 faisant face à la face sous charge 12a de plus grande superfqcie,par des orifices 22traversant axialement le piston. Dans ce mode de réalisation comme on le voit sur la figure 4,on prévoit tupis pièces circon- férentiellement sur le piston . La soupape de transfert 3lqui constitue une portion à grand diamètre du rotor 30 est au contact des embouchures 22a des orifices 22 s'ouvrant dans la portion creu se 21 du piston. Un orifice 25 est formé dans la portion de la paroi périphérique du piston faisant face à une région définie par la soupape detransfert 31 et la portion à grand diamètre 32 située à l'intérieur de la portion creuse du piston, pour permettreà la portion creuse 21de communiquer avec la chambre à fluide 11. A 1' extrémité du piston 20 situé à l'opposé de celle dans laquelle est formée la chambre à fluide 12 est définie une chambre à fluide 14 ,obturée par la soupape de transfert31 et commu niquant avec un orifice de retour R formé dans la périphérique du piston . Une autre chambre à fluide 23 est également définie dans l'extrémité libre du rotor 30 par la portion à grand diamètre 32 du rotor 30 dans la portion creuse 21 du piston 20 qui communique avec la chambre 14 par un trajet de fluide 24 s'étendant axialement dans le piston 20. Le mode de fonctionnement de ce dispositif va maintenant être exposé. Comme indiqué ci-dessus, la chambre à fluide 11 faisant face à la face sous charge Ila de plus petite superficie du piston est maintenue sous une pression permanente produite par une source de pression hydraulique non representée, par l'orifice d'ali mentation P. Le rotor 30 de la soupape rotative est entralné en rotation.Au cours de cette rotation, les encoches 33 et 34 des deux trains prévus sur la soupape de transfer 31 coopèrent avec les embouchures 22a des orifices 22, alternativement l'un avec l'autre. Quand les encoches 33 coopèrent avec les embouchures 22a, la chambre à fluide 12 peut communiquer avec l'orifice de retour R par le trajet de fluide 22 etla chambre à fluide 14 de-sorte que la pression dans la chambre il dépasse la pression dans la chanbie 12 ce qui provoque le déplacement du piston vers la droite dela figure 2.Quand le rotor 30 continue de tourner de manière que les encoche 31 viennent correspondre aux embouchures 22a (pour éviter que les autres encoches 33 ne coopèrent avec ces em bouchures 22a à ce moment, la distance entre une encoche 33 et l'encoche associée 34 dans la direction circonférentielle de la soupape de transfert 31 est r-lusgrande cru la largeur de l'embouchu re 22a , clest 1 -.ire crue le diamètre de cet orifice 22a dans la direction circonférentielle du piston), la chambre à fluide 12 peut alors communiquer avec la chambre 11 par le trajet 22,la portion creuse 31 du piston et l'orifice 25 de sorte que la pression dans la chambre 12 devient égale à celle dans la chambre 11. Comme la face sous charge 12a du piston faisant face à la chambre 12 est plus grande que la face sous charge la faisant face à la cambre 11, le piston 20 se déplace vers la gauche de la figure 2. Ainsi, à mesure que le rotor 30 tourne, la soupape de transfert 31 permet au trajet de fluide 22 de communiquer alternativement avec l'orifice d'alimentation n et l'orifice de retour R ce qui provoque un mouvement alternatif ou de vibration du piston 20. Le piston 20 est soumis à une fréquence de vibration égale à Nxn, N étant la fréquence de rotation du rotor 30et n le nombre d'encoches. Selon le premier mode -réalisation de l'invention ain si décrit, la soupape rotative de contrôle et le cylindre sont en un seul corps. Cette disposition exclut tout espace superflu tels que les trajets de connection de fluide, pouvant provoquer un retard dans le cycle de compression et d'expansion du cylindre hydraulique, entraînant nnn seulement une haute sensibilité du cylindre à l'action de transfert des trajets de fluide sous l'ef fet de la soupape de contrle mais également 1a -ossibilité d'ob tenir une vibration mécanique d'une amplitude suffisante à une fréquence élevée.Au surplus comme le piston sert également de stator de soupape pour la soupape rotative et qu'au moins une des chambres à fluide faisant face aux faces sous charge dupiston des côtés opposés de ce dernier est située dans le même plan radial que le rotor, les trajets de fluide ou orifices communiquant avec cette chambre à fluide peuvent avoir la longueur et le volume minimaux, qui sont indìspensables pour les orifices par eux mêmes ce qui également conduit-- à la=compacite et à la simplicité de constructión du cylindre hydraulique ainsi qu'à la faible consommation d'énergie d'alimentation en-pression hydraulique nécessaire pour le fonctionnement~du cylindre. Dans ce mode de réalisation, il faut noter qu'il existe encore une distance considérable entre les encoches 33 ou 34 de la soupape de transfert 31 et la chambre à fluide 12 c'est à dire que les trajets 22 ont une grande longueur. Par suite, la pression dans la chambre 12 n'est pas augmentée jusqu'd un degré suffisant après sa connection avec l'orifice d'alimentation P-par la soupape de transfert jusqu'S ce que le fluide dans les trajets 22 soient totalement comprimés et qu'au surplus la pression dans la même chambre 12 n'est pas abaissée jusqu'à un degré nécessaire jusqu'à ce que le fluide soit complètement dilaté, ce qui provoque un retard dans le déplacement du cylindre vibrant, correspondant au volume du trajet 22, de telle sorte qu'au cas ou le fonctionnement à fréquence de vibrations élevéedu cylindre ne peut pas avoir une amplitude de vibration voulue et qu'au surplus dans le cas de l'emploi d'un cylindre vibrant à haut rendement, une quantité considérable d'énergie hydraulique est nécessaire pour comprimer le fluide dans ses trajets. On a sur la figure 5 complètement éliminé ce défaut. Selon ce mode de réalisation, la chambre = fluide 12a correspondanà la chambre à fluide 12 du premier mode de réalisation est cette fois formée dans le même plan radial que la soupape de transfert 31 du rotor 30, d'une manière telle que la distance entre la soupape de transfert 31 et les orifices radiaux 22a a une longueur inappréciable. Ainsi la distance entre les chambres à fluide 12a et la soupape de transfert 31 est largement reduite.Gr ce à cette disposition, les orifices 22a ont un volume négligeahle et par suite le cylindre peut aisément produire des vibrations mécaniques ayant l'amplitude voulue même à très haute fréquence de vibration.A ce propos , dans cemode de réalisatinn, la chambre à fluide 11 faisant façe à la chambre sous charge lla plus petite du piston est toujours sous la Pression du fluide introduit par un orifice 28 communiquant avec l'orifice d'alimentation P ce qui repousse axialement la face active lla du piston . Dans cette disposition, comme les encoches 33 de la soupape de transfert 31 coopèrent avec les orifices 22A, la chambre à fluide 12A est en communication avec l'orifice de connection de retour B par des orifices 22A, une chambre à fluide 29,des orifices 27 et -me chambre a fluide 13. Tandis aue, quand les encoches 34 coopèrent avec les orifices 22A, la chambre 12A communique avec l'orifice d'alimentatqon D par des orifices 25 et une chambre à fluide.On noc-ra, en assant, crue sur la figure 5,la référence D résigne un orifice d'écoulement permettant les fuites de fluid dans une c9.are à fluide 18. La figure 6 représete une variante du second mode de réalisation de l'invention . Dans cette variante également, la chambre à fluide 12A est située sur le mme clan radial que la soupape de transfert 31 par de petits orifices 22A ne s'étendant que radialement pour aboutir à des résultats semblables à ceux obtenus par la seconde réalisation précitée .On doit toute- fois noter , pardifférence, que la plus petite chambre sous charge 11 est située dans le même plan radial que l'orifice d'alimenta- tion P de manière à rendre un peu plus simple toute la cons truc- tion du cylindre.Sur la figure 6, la référence 15 représente une chambre d'écoulement formée dans une extrémité opposée à celle de laquelle la chambre de fluide 14 est située,communiquant avec une chambre terminale 23 délimitée par la portion à grand diamètre 32 du rotor 30 par les orifices 26 et communiquant au surplus par un orifice 24 avec l'orifice de retour R. Les références 4 désignent des ressorts à boudin prévus aux extrémités opposées du piston 20 pour supporter ce piston pratiquement au centre du cylindre. Du fait que le dispositif de la figure 6 a une construction pratiquement semblable à celle du-systeme de la fiaure 5, son fonctionnement est pratiquement même. En se référant maintenant à la figure7, on v voit un autre mode de réalisation de l'invention. Tous les modes de réalisation précités appartiennent au type dans lequel, sur les deux chambres sous charge disposées à l'opposé dans la direction du déplacement du piston, l'une faisant face à la plus petite sous charge du piston est toujours maintenue sous pression hydrau- lique tandis que l'autre faisant face à la plus grande face sous charge du piston communique alternativement avec l'orifice d'alimentation P pour appliquer sur elle une pression hydraulique et avec orifice de retour R pour évacuer ce fluide, ce qui provoque les vibrations mécaniques.Cependant, selon ce troisième mode de réalisation, les deux faces sous charge disposées à l'opposé l'une de l'autre dans la direction de déplacement du piston présentent la meme superficie et tandis que l'une des deux chambres à fluide faisant face à des faces sous charge aux faces opposées du piston est alimentée en fluide, lé fluide de l'autre chambre est évacué ce qui provoque la vibration du piston. Sur la figure 7,les éléments correspondants ont les memes références que sur sur les figures 2 à 6 et on a donc omis ces références.Sur cette figure par contre,pardifférence avec la réalisation des figures 2à 6 , lesdeux chambres à fluide des- côtés opposes du piston par rapport à la direction de déplacement du piston 20 sont désignées maintenant par les . références 11A et 12A,ces chambres étantdestinées à communiquer avec la portion 24 du piston par des orifices 22A et 27,formés tous deux dans la parow 2Ci-vphé- rique du piston.Les embouchures de ces orifices 22A et 27 s'ouvrant ans l'intérieur du piston coopèrent avec les soupapes de transfert respectives 31 et 32 du rotor 30, ces soupapes 31 et 32 comportant respectivement deux fois deux séries d'encoches 33 et 34 d'une part, 35 et 36 d'autre part. Le fonctionnement de ce mode de réalisation est le suivant : si l'on suppose que la rotation du rotor 30 a amené les encoches 34 de la soupape 31 à coopérer avec les orifices 22A comme représenté sur le dessin, à ce moment la chambre à fluide 12A communique avec l'orifice d'alimentationP par les orifices 22A, la portion creuse 21 des orifices 25 ce qui les amène sous la pression hydraulique du fluide.Par ailleurs, la chambre 1lA de l'autre côté communique avec l'orifice de retour R par la chambre à fluide 23 à l'extrémité libre du rotor 30, les orifices 26,la chambre à fluide 15 et le trajet de fluide 24, grace à la coopération des encoches 36,de la soupape 32 avec les orifices 27. Ainsi, la pressinn dans la chambre 12A dépasse celle dans la chambre llA ce qui provoque le déplacement vers la droite du piston 20 quand on regarde la figure 7.Quand le rotor 30 continue de tourner ce qui amène les encoches 33 de la soupape 31 à coopérer avec les orifices 22A, la chambre à fluide 12A est amenée encommunication avec l'orifice de retour R par la chambre à fluide 14 tandis que par la- coopération des encoches 35 dela soupape 32 avec les orifices 27, l'autre chambre liA est amenée àcommuniquer avec l'orifice d'alimentation X par les orifices 25 de la portion 21 de sorte que la pression dans la chambre llA dépasse alors celle dans la chambre llA ce qui provoque le déplacement du piston 20 vers la gauche quand on regarde la figure 7. De cette manière, le piston 20 est soumis à un mouvement alternatif ou vibrant axial à mesure que le rotor 30 tourne. En revenant maintenant à la description du premier mode de réalisation de 'invention, on peut se référer à l'auto-equili- bragedupiston 20 c'est à direl'aptltude du centre du mouvement alternatif du piston à demeurer dans une position axiale donnée. Si l'on se réfère à la figure 2, si l'on sunDose queles encoches 34 de la soupape 31 -copèrent avec les eKbouchures des orifices 22 ce qui provoque le deplacement vers la gauche du piston 20, à mesure que le piston se déplace vers la gauche, la zone ouvertepar laquelle les embnuchures des orifices 22 et les encoches 34 coopèrent les une avec les autres diminue, de sorte que la pres sion dans la chambre 12 diminue auss-i ce qui provoque le retour du piston 20vers une position d'équilibre à laquelle il demeure. En d'autres termes, dans le cylindre vibrant , selon la présente in çntion,tout déplacement du piston est retourné à la soupape de contrôle rotatif ce qui confère un auto-quilibrage au piston tandis que dans -les pistons des modes de réalisation des figures 6 et 7, ce phénomène ne se produit pas et on emploie les ressorts à boudin 4 pour conférer cet auto-équilibrage au piston. Bien que l'invention ait été décrite dans ses modes de réalisation préférés, il es-t bien entendu qu'elle englobe toutes les variantes qui pourront lui être- conçues et la portée de la présente invention n'est -donc limite à aucun de-ces modes de réalisation et elle vise au contraire toutes les caractdristiques énumérées dans la revendication ci-après. REVEND ICAT ION 1.Cylindre hydraulique destiné à provoquer une vibration axiale sur un piston sous l'effet de la mise sous charge et sous dé charge d'un agent fluide de pression hydraulique dans et depuis au moins l'une de deux chambres à fluide prévues sur les côtés opposés axialement de ces pistons grace à une soupape de con trôle,caractérisé en ce que 1) cette soupape de contrôle comprend un stator constitué par ledit piston et un rotor monté rotatif dans ce stator et 2) au moins l'une des chambres à fluide est située dans un plan radial qui correspond à celui du rotor de laditesoupape de contrôle.