Brevet FR2462197A1 — publié le 19810213

La présente invention concerne une centrifugeuse, en particulier, une centrifugeuse de laboratoire et de décantation, comportant un rotor pourvu de plusieurs supports disposés sur sa périphérie et destinés à recevoir des récipients de centrifugation à sommet ouvert, chaque support étant monté de façon à pouvoir pivoter sur un axe, tandis que le mouvement de pivotement est délimité par des butées réglables prévues sur le rotor. Une centrifugeuse de ce type a été décrite dans tous ses détails dans la demande de brevet de la République Fédérale d'Allemagne DE-OS 23 04 395. Dans cette centrifugeuse connue, le rotor est constitué d'un élément de chlorure de polyvinyle, car on part du principe selon lequel par suite de la répartition du poids, un élément métallique serait trop lourd. Toutefois, cet élément en chlorure de polyvinyle présente un inconvénient du fait que des rotors de ce type peuvent devenir défectueux au bout d'un laps de temps relativement court en raison de la fatigue que subit la matière.Le rotor connu est réalisé de telle sorte que, pour la décantation, les supports des petits tubes ou des récipients de centrifugation soient poussés vers l'extérieur, l'angle de décantation, qui est légèrement dirigé vers l'extérieur, étant réglé au moyen d'une vis adaptée à chaque support et venant se placer dans des épaulements formés en dessous d'une jupe relativement élevée, dirigée vers le bas et formée sur le bord extérieur du rotor. Ce type de décantation conduit également à une sollicitation extrêmement élevée du bord du rotor, ainsi que des paliers des supports. Dans la centrifugeuse connue, on prévoit une couronne à griffes que l'on fixe, au moyen de 12 vis, sur la face inférieure du rotor et sur laquelle sont montés tous les supports.Dans ce cas également, les forces s'exerçant aux vitesses de rotation élevées conduisent à une fatigue rapide de la matière sur la couronne à griffes. La présente invention a pour objet de fournir une centrifugeuse du type indiqué ci-dessus dans laquelle, en empêchant la fatigue rapide de la matière, on prolonge considérablement la durée de vie escomptée. Suivant l'invention, on réalise essentiellement cet objet de la manière suivante : les butées destinées à régler l'angle de décantation sont disposées radialement à l'intérieur des supports, tandis que le montage des tourillons est formé par des évidements réalisés sous forme de demi-coquilles de paliers sur la face inférieure du rotor, ainsi que par une contre-portée commune chaque fois pour deux tourillons voisins. L'invention offre un avantage particulier du fait que la répartition de poids est beaucoup plus favorable que dans le rotor connu ; en effet, le poids des butées, ainsi que celui des vis de réglage a été déplacé vers l'intérieur sur un rayon de rotation beaucoup plus petit, réduisant ainsi considérablement les forces centrifuges s'exerçant aux hautes vitesses de rotation. De plus, on peut ainsi réduire sensiblement la jupe marginale extérieure qui, dans le rotor connu, est relativement massive ; en effet, cette jupe ne doit plus supporter les butées. De la sorte, non économise à nouveau un poids supplémentaire sur le rayon extérieur extrême de rotation. De plus, au lieu de la couronne commune à griffes pour maintenir les tourillons, on utilise chaque fois une contre-portée commune pour deux tourillons voisins, ce qui permet à nouveau de réduire le poids en un point défavorable en ce qui concerne les forces centrifuges exercées. Dans une forme de réalisation préférée suivant l'invent ion, les contre-portées sont formées de rondelles maintenues au moyen de vis. En l'occurrence, on peut, par exemple, utiliser des rondelles de calage disponibles dans le commerce et réalisées en acier V2A ou V4A. En particulier, suivant une forme de réalisation com plémentaire de l'invention, les butées sont réalisées sous forme de collets dirigés vers le bas, inclinés vers et formés sur la face inférieure du rotor, des vis de réglage venant se placer dans ces collets. Grâce à la répartition favorable des poids dans le rotor suivant l'invention, on peut dorénavant réaliser ce dernier en métal au lieu d'employer des matières synthétiques. Un métal préféré est un alliage d'aluminium pour coulée de précision, en particulier, l'alliage 1,G-Àl Se 7 ag Va" ; dans ce cas, il est préférable d'appliquer un revêtement protecteur de chlorure de polyvinyle sur le rotor. D'autres détails avantageux de l'invention ressortiront de la description détaillée ci-après d'une forme de réalisation illustrée à titre d'exemple dans les dessins annexés dans lesquels La figure 1 est une vue en perspective d'un rotor de la centrifugeuse suivant l'invention, La figure 2 est une vue en coupe du rotor illustré en figure 1, les supports étant omis La figure 3 représente, par une vue schématique en coupe, un détail du montage des supports avec possibilité de réglage de l'angle de décantation, et La figure 4 est une vue par le dessous du rotor. Dans la vue en perspective de la figure 1, le rotor 1 comporte, sur sa périphérie, un certain nombre de découpes rectangulaires 2 dans lesquelles les supports 3 munis de récipients amovibles de centrifugation 4 sont montés de façon à pouvoir pivoter. Le rotor 1 est entrainé à grande vitesse sur son axe de rotation 5 par un moteur (non représenté) pouvant tourner sélectivement dans deux directions. De préférence, le rotor 1 est réalisé d'une seule pièce et il comporte, sur son bord extérieur 6, une jupe 7 dirigée vers le bas et formant, conjointement avec la surface circulaire 8, le logement ex en rieur destiné à recevoir les supports pivotants 3, Le rotor 1 est illustré par une vue en coupe en figure 2. Comme on peut le constater en figure 2, le rotor 1 est réalisé dune seule pièce, l'élément rotatif supplémentaire 9 étant omis dans cette figure. Le rotor 1 comporte un coussinet de palier 10 au moyen duquel il est fixé sur son axe de rotation. Sur sa face inférieure, le rotor 1 comporte un collet annulaire 11 dirigé vers le bas et vers l'intérieur et également réalisé sous forme d'une butée 12 destinée à limiter le mouvement de pivotement des supports 3, ainsi qu'on le décrira ci-après plus en détail en se référant à la figure 3. La figure 3 représente un des supports pivotants 3 de la centrifugeuse suivant l'invention. Ce support 3 peut basculer entre deux positions en changeant le sens de rotation de la tête de la centrifugeuse ou du rotor 1, comme décrit plus en détail dans la demande de brevet précitée de la République Fédérale d'Allemagne DE OS 23 04 395. A cet effet, le support 3 est monté de façon à pouvoir pivoter sur un axe 13 venant se loger dans des évidements 14 pratiqués sur la face inférieure du rotor 1 de part et d'autre des découpes rectangulaires 2. Le tourillon 13 est maintenu dans 1 t évidement 14 par une rondelle 15 que l'on fixe, au moyen dlune vis t6, sur la face inférieure du rotor. Comme le montre en particulier la figure 4, une rondelle 15 de ce type fixe chaque fois, dans les évidements 14, deux tourillons de deux supports pivotants voisins 3. En outre, comme le montre la figure 3, afin de régler l'angle de décantation, clest-à-dire afin de fixer la légère inclinaison des récipients de centrifugation 4 vers l'extérieur, à chaque support 3, on adapte une vis de réglage 17 venant se visser dans des trous filetés 18 pratiqués dans le collet annulaire 11. Lors de l'inversion du sens de rotation, l'autre position de pivotement est assurée par la surface de butée 19 descendant vers l'estérieur et également réalisée sous forme d'une surface annulaire sur la face supérieure du rotor 1. La figure 4 montre également les trous filetés 20 formés entre les découpes rectangulaires 2 et recevant les vis 18 afin de maintenir les rondelles 15 ; en ce qui concerne ces dernières, il peut s'agir de rondelles disponibles dans le commerce en acier V2A, Comme on peut le constater, en particulier, d'après la combinaison des figures 2 et 3, le rotor de la centrifugeuse suivant l'invention offre un avantage du fait que, comparativement à des rotors connus, les poids sont rapprochés le plus possible de l'axe de rotation 5, en particulier, en ce qui concerne le réglage global de l'angle de décantation et la réduction de hauteur qui peut en résulter pour le collet annulaire extérieur et la jupe 7. De la sorte, on réduit considérablement les sollicitations qu'imposent, à la matière, les forces centrifuges exercées, tout en réalisant en même temps un gain de poids considérable. De ce fait, au lieu d'une matière synthétique, on peut utiliser un métal, en particulier, un alliage d'aluminium pour coulée de précision. En l'occurrence, il est préférable d'utiliser un alliage d'aluminium disponible dans le commerce sous l'appellation "G-A1 Se 7 Mg Wa". Dans ce cas, il convient de prévoir un revêtement protecteur en chlorure de polyvinyle afin que le rotor 1 de la centrifugeuse suivant l'invention reste insensible aux acides. Dans un exemple de réalisation pratique, lors du contrôle de la matière, on a obtenu les résultats suivants Dans un essai type, on a contrôlé, sur un rotor, la résistance du logement contre la rupture de la suspension sous l'effet d'un choc. I - Contrôle de la matière et données relatives à celle-ci. Pour le rotor, on a prévu une pièce coulée en aluminium de qualité G - Al Se 7 Mg Wa. Le fournisseur donne les indications suivantes Résistance à la traction 26 kg/mm2 Limite élastique 19 kg/mm2 Allongement 3 ,0 Les valeurs de résistances des normes DIN sont déterminees avec des coquilles normalisées et des procédés définis de coulée (coulée avec dégagement de chlore gazeux, affinage des grains, etc.). Les valeurs pouvant être atteintes dans la pratique peuvent être nettement inférieures aux valeurs des coquilles échantillons.En outre, les résistances limites d'endurance de l'aluminium sous forme coulée sont très faibles, Même si la centrifugeuse de laboratoire en cause ne tombe pas sous les prescriptions de la norme v3G7z de l'association industrielle, étant donné qu'il s'agit d'une centrifugeuse, des conditions plus rigoureuses doivent cependant être imposées à la matière ou des tolérances de sécurité correspondantes doivent être déduites en ce qui concerne les valeurs de résistance. Pour les calculs effectués en ce qui concerne le corps moulé, on présuppose une "absence de fissures", ainsi qu'une "absence de retassures" (examen radiographique). Les pièces comportant des retassures ne peuvent intervenir dans le calcul des résistances. Dans la centrifugeuse, on sollicite principalement les tenons de fixation auxquels sont suspendues les éprouvettes. Aux forces centrifuges s,eserqant sous forme d'une force de traction ou d'une force de cisaillement, par suite du basculement des petits tubes au cours de l'opération et par suite de faibles oscillations dues au balourd, viennent se superposer des sollicitations de chocs et des sollicitations alternées. En conséquence, pour le calcul de la résistance des tenons précités, on doit utiliser la résistance aux efforts alternés par entaillage et par flexion. Suivant la norme DIN 1725, on a, pour la résistance aux efforts alternés par flexion r 8 8 kg/mm Suivant Hertel (résistance à la fatigue des construc- tions, Springer 1969), on a, pour la résistance aux efforts alternés par flexion rBW et, pour la résistance aux efforts alternés par entaillage #KBK, les valeurs suivantes Blf = 7 l-g/mm sKBK - 6 lqg/mm2 Comme vitesse de rotation maximum, le fabricant indi que : 2.400 tours/minute, soit 700 g, en se rapportant au rayon extérieur du rotor. Lorsqu'elles sont remplies, les éprouvettes pèsent 30 g. Il - Détermination des valeurs de résistance permises pour le calcul. Pour le calcul, Hertel choisit tout d'abord les valeurs de résistance limite d'endurance inférieures à celles de la norme. La résistance dite de calcul s'obtint en divisant les valeurs de contrôle indiquées (sub I) par le facteur de sécurité d'utilisation SN (Voir Neumann, volume 1, "Maschinenelemente", Springer Verlag). Pour la résistance aux efforts alternés par entaillage, la valeur SN est d'environ 4 et, pour la résistance aux efforts alternés par flexion, la valeur SN est de 3. En conséquence, on obtient les valeurs de calcul ou les tensions permises suivantes rBW = 700/3 = 233 kg/cm2 = = 600/4 = 150 kg/cm2 III - Calcul des tourillons de paliers et du rotor Une observation approximative du rotor indique qu'il convient tout d'abord de vérifier les tensions survenant dans les tourillons dans lesquels sont suspendues les éprouvettes. Les plus petites sections transversales se situent dans cette zone et subissent comparativement les sollicitations les plus élevées. Si le calcul effectué dans cette zone indique des sollicitations permises, il suffit alors de calculer le rotor d'un bout a' l'autre en le ramenant par simplification à un disque. Le calcul pour un traitement à trois dimensions serait considérable et, en tenant compte des facteurs élevés concernant la sécurité d'utilisation, un tel calcul ntappor- terait même aucun résultat nouveau. En conséquence,la solliciation est calculée dtun bout à l'autre en prenant le cas d'une seule dimension. Les sections transversales critiques ont les dimensions suivantes III, 1 F1 = 5,6 x 3 = 16,8 mm La sollicitation doit être définie en tension de cisaillement. La force de sollicitation est : P1 = 0,03 x 700 = 21 kg. La force exercée se repartit sur deux paliers, ce qui correspondrait à une répartition de charge de 50 %. Toutefois, par suite des coincements qui peuvent se produire, on se base sur une répartition irrégulière éventuelle : palier - 21 x 0,7 = 15 kg. La tension de cisaillement exercée est alors de Cr1 cisaillement = 15/0,168 = 88 kg/cm2 III, 2 F2 = 6 x 3 = 18 mm2 Cas de sollicitation : flexion et traction = = 15/0,18 = 83,2 kg/cm Les forces exercées dans les deux cas représentent environ 50 e/ó des valeurs de résistance permises. III, 3. Pour le calcul du rotor, on ramène ce dernier à un disque. Le calcul à trois dimensions n'aurait aucun rapport avec le résultat obtenu, puisqu'aussi bien les tensions réellement exercées sont largement inférieures à celles permises d'après les calculs. Pour les tensions s'exerçant dans un disque rotatif, avec une bonne approximation, on peut adopter la formule 150.1., page 150, "Technische Mechanik von Holzmann", Meyer, Schumpich, Teubner Verlag # = (&gamma; (rm#) = &gamma;. v , g m g r étant rapporté au rayon extérieur de la centrifugeuse et m v = 21T.rm . n = r . a = Tr. 24 . 2400 = 3014 sec 6o sec ta densité de l'aluminium est de Y = 2,7 kg/cm3 10 3 rm = 12 cm En conséquence, on a 6= 2,7 ; 10 3 (3014) 225 kg/cm 981 La valeur de tension déterminée est nettement inférieure à la valeur de calcul. Pour arrondir le calcul et également pour contrôler la qualité de la matière, il est recommandé de soumettre, moyennant un simple essai type, les tenons du rotor à un effort de traction (poids initial : 21 kg) avec un poids approprié (au moyen d1un rouleau). IV. Essais de rebondissement du logement. Le calcul de la résistance du rotor coulé et durci à chaud avec des tenons donne des valeurs qui sont nettement ou largement inférieures aux valeurs permises. Dans le cas de défauts de matière qui n'ont pas été décelés au contrôle, une rupture des tenons due à une diminution de résistance n1 est pas exclue. (Etant donné que les éprouvettes réalisées en matière synthétique n1 ont été soumises à aucun essai, il doit également être tenu compte d'une défaillance éventuelle pour les petits tubes), En cas de rupture d'un tenon, les petits tubes arrachés sont projetés à l'écart du rotor à la vitesse périphérique de ce dernier et ils viennent heurter la paroi du logement avec une énergie cinétique mv2/2. il convient de vérifier le degré auquel ce choc peut provoquer une détérioration ou une destruction du logement. Pour le calcul, on ne dispose pas de documents relatifs à la constante de rappel et au nombre de chocs, non plus que de données relatives à la matière. Dans un essai pratique de choc, il conviendrait de laisser tomber les éprouvettes à partir dlune hauteur de 45 m pour qu'elles viennent heurter le logement à la même vitesse que celle existant en cas de rupture des tenons. il est trés difficile de réaliser pratiquement un tel essai de choc. En conséquence, on a effectué des essais de chocs avec des corps ayant la même énergie cinétique, mais à une plus faible hauteur de chute, ce qui correspond à un poids de même valeur. Le calcul démontre qu'une hauteur de chute d'environ 43 m nécessite un poids d'environ 1 1 kg pour obtenir, lors du choc, la même énergie cinétique que lors de la rupture d'un petit tube de 30 g dans la centrifugeuse. Environ 20 essais de chute avec un corps d'essai de 1 k à partir d'une hauteur de 2 n n'ont provoqué aucune détérioration (hormis les éraflures), ni aucune destruction du logement d'essai. Des lors, on peut considérer que le logement est suffisamment stable. Loi de chute : S = 1 S t2 2 Par différentiation et substitution, on a r (3014) (3014) S = S = = = 4500 cm 2g 2g 2x581 Pour des essais de chocs E cinétique constante m1v12/2 = m2v22/2 v22 = m1v12/m2 m1 = 30 g m2 = 1000 g v1 = 3014 cm/sec v2 = 30 (3014) # S = v = 30. (3014) # 140 cm 2g 1000.2.581 Résultat de l'essai : pour la fabrication, on peut adopter la construction choisie avec les obligations mentionnées (contrôle d'absence de fissure, examen radiographique et essai de résistance que l'on doit encore pratiquer sur un rotor, c'est-à-dire un essai de sollicitation des tenons dans des conditions statiques). REVENDICATIONS 1.- Centrifugeuse, en particulier, centrifugeuse de laboratoire et de décantation, comportant un rotor pourvu de plusieurs supports disposés sur sa périphérie et destinés à recevoir des récipients de centrifugation à sommet ouvert, chaque support tant monté de façon à pouvoir pivoter sur un axe, tandis que le mouvement de pivotement est délimité par des butées réglables prévues sur le rotor, caractérisée en ce que les butées (12) destinées à régler l'angle de décantation sont disposées radialement à l'intérieur des supports (3), tandis que le montage des tourillons (13) est formé par des évidements réalisés sous forme de demi-coquilles de paliers (14) sur la face inférieure du rotor (1), ainsi que par une contre-portée commune (15, 16) chaque fois pour deux tourillons voisins. 2.- Centrifugeuse suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la contre-butée est réalisée sous forme d'une rondelle (15). 3.- Centrifugeuse suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la butée (12) est réalisée sous forme d'un collet (11) dirigé vers le bas et incliné vers 4.- Centrifugeuse suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le rotor (1) est réalisé en métal. 5.- Centrifugeuse suivant la revendication 4, caractérisée en ce que le rotor est réalisé en un alliage d'aluminium pour coulée de précision, tandis qu'il comporte un revêtement de chlorure de polyvinyle.