Brevet FR2518163A1 — publié le 19830617

La présente invention concerne un cylindre hy- draulique à fonction combinée c'est-à-dire pouvant également supporter pneumatiquement une char- ge -, notamment un étançon de mine, pour absorber élastiquement des forces de sollicitation statiques et/ou dynamiques, avantageusement des charges s'exerçant brusquement à la façon de chocs qui représentent des actions de forces se manifestant rapidement et à la façon de chocs à la suite d'éventuels coups de mine et qui dépassent les charges normales. Une des fonctions essentielles des étançons hydrauliques consiste à absorber les charges statiques et/ou dynamiques engendrées par le terrain, dans le dernier cas avantageusement par l'accumulation élas- tique d'énergie Il est généralement connu que plus la capacité d'accumulation d'énergie jusqu'à la pression provoquant l'écrasement est grande, plus les charges dynamiques susceptibles de se produire sont grandes. Pour résoudre le problème, on connaît de nombreuses solutions qui tiennent compte notamment de l'évolution du coup de mine. L'un des groupes de solution-% reposant exclusi- vement sur le système hydraulique assure la contraction de l'étançon au degré nécessaire, ou bien l'absorption des forces de sollicitation se produisant à la façon de chocs et dépassant généralement la pression statique, à l'aide de moyens mécaniques et hydrauliques ou bien exclusivement en utilisant des dispositifs hydrauliques de complément. Ces dispositifs de complément correspondent à ce qu'on appelle les valves d'absorption de coups de mine. Un étançon pourvu d'une valve hydromécanique d'absorption de coups de mine a été décrit par exemple dans le brevet en URSS 57 1610 et dans la demande de brevet en République Fédérale Allemande 21 300 472. L'étançon décrit dans le brevet allemand comporte exclusivement une valve d'absorption de coups de mine qui est actionnée hydrauliquement. En général on rencontre avec ces solutions l'inconvénient que le conduit de raccordement de la valve d'absorption de coups de mine à la chambre de pression hydraulique possède une trop faible sec- tion de passage de sorte que la valve d'absorption de coups de mine, par suite de l'inertie de la chambre de pression et de la valve, ne peut pas empêcher, dans le cas d'une sollicitation rapide, la surpression perturbatrice et la surcharge en résultant En outre, la valve d'absorption de coups de mine ne permet qu'une contraction non élastique ou bien une contraction élastique limitée. On connaît également une solution dans la- quelle la contraction élastique est augmentée par utilisation d'un cylindre intérieur ouvert en direca tion du cylindre extérieur et rempli de liquide (par exemple conformément au brevet en République Fédé- rale Allemande 26 36 791) Dans ce cas, la capacité élastique de compression du liquide en excédent par suite du cylindre intérieur ouvert fournit la capacité nécessaire d'accumulation d'énergie et allonge simultanément le temps de mise en pression. La contraction élastique pouvant être obtenue de cette manière, la capacité d'accumulation d'éner- gie et la durée prolongée de mise en pression sont avantageuses On rencontre cependant un inconvénient en ce que l'élasticité de l'étançon est fonction de la position du cylindre intérieur Dans une position fer- mée, l'étançon est plus rigide, c'est-à-dire que la contraction élastique est plus faible Dans le cas d'une sollicitation brusque et se déroulant rapidement, la durée de mise en pression est généralement trop courte pour obtenir un fonctionnement sûr de la valve d'absorp- tion de coups de mine. Dans le brevet français 75 04 902, on décrit une solution dans laquelle il est prévu dans la tête de piston du cylindre intérieur un accumulateur de gaz pourvu d'une membrane La paroi intérieure de la membra- ne délimite une chambre à gaz tandis que la paroi exté- rieure communique, par l'intermédiaire du trou formé à l'extrémité du cylindre intérieur, avec la chambre hydraulique de pression de l'étançon. Cette solution a pour fonction d'amortir les ondes de pression se produisant en cas de sollici- tation brusque à la façon d'un choc ou bien de garan- tir l'intervalle de temps nécessaire pour l'ouverture de la soupape de sécurité traditionnelle. Par contre, la haute résistance du trou de petite dimension limite de façon perturbatrice et im- portante l'influence de l'accumulateur de gaz en ce qui concerne l'équilibrage de pression et l'absorption d'énergie Cependant si l'on élargissait le trou de communication, la membrane serait détruite déjà pour une augmentation de précontrainte de 500 bars, dans le cas o le circuit hydraulique se trouve à la pression atmosphérique Egalement, l'augmentation du contenu volumique de l'accumulateur de gaz ne semble pas avantageue car la résistance du trou détermine déjà les conditions d'absorption de la charge Il en résulte que l'étançon ne peut servir qu'à absorber une énergie dynamique relativement faible, à un degré limité, et ceci dans l'hypothèse o la pression s'établissant dans le volume hydraulique de l'étançon ne dépasse pas la valeur admissible Si simultanément, l'étançon possède une caractéristique correspondant à une plus grande souplesse, il existe un risque plus grand que 251816-3 le cylindre intérieur vienne buter, métal-contre-métal, contre le fond du cylindre extàieur, notamment quand le choc est exercé dans une position approximativement fermée. L'invention a pour but d'éliminer les caractéristiques perturbatrices précitées des solutions classiques, c'est-à-dire de créer-un cylindre hydrau- lique à fonction combinée qui, pour les mêmes dimen- sions, soit capable d'accumuler une énergie de per- cussion dépassant les valeurs traditionnelles, possède une capacité de contraction élastique à la valeur nécessaire, et aussi une période de mise en chargé - également dans des conditions critiques qui soit suffisamment longue tout en empêchant simultanément un choc puissant par butée métal-corre-métal, ou tout au moins en amortissant considérablement ou en ralen- tissant le processus. L'invention concerne essentiellement un cylindre hydraulique, qui se compose d'un cylindre extérieur, d'au moins un cylindre intérieur placé dans celui-ci et en outre du système à valve, formé en cas de besoin de la ou des valves d'absorption de coups de mine et/ou d'autres valves, cylindre hydraulique caractérisé en ce qu'il est prévu entre le cylindre extérieur et le cy- lindre intérieur une chambre hydraulique dé pression qui est reliée à une chambre à gaz et en ce qu'il est prévu dans la chambre hydraulique de pression un appen- dice creux s'adaptant au cylindre intérieur. Dans un mode avantageux de réalisation du cylin- dre hydraulique, la chambre à gaz est formée dans le cylindre intérieur et/ou dans l'appendice creux, la chambre à gaz et la chambre hydraulique de pression étant séparées l'une de l'autre par un piston, Dans un autre mode avantageux de réalisation de l'invention, la chambre à gaz est disposée à l'extérieur du cylindre extérieur. Dans un autre mode avantageux de réalisation, il est prévu sur la périphérie de l'appendice creux et/ou dans la cavité correspondante du cylindre inté- rieur, avec un certain jeu, un ou plusieurs gradins. Il est considéré comme avantageux que le jeu entre les parties correspondantes ait tendance à diminuer dans le sens de déplacement. On peut considérer comme avantageux un mode de réalisation dans lequel la chambre à gaz se compose d'une membrane et en outre d'un tampon de liquide disposé en cas de besoin entre la membrane, le piston et le cylindre intérieur ou bien la paroi intérieure de l'appendice creux. Dans un mode avantageux de réalisation, il est prévu dans le cylindre intérieur, le cas échéant entre la membrane et le cylindre intérieur, ou bien dans l'appendice creux, une chemise Conformément à un autre mode avantageux de réalisation de l'invention, il est possible d'agencer la membrane sous forme d'une membrane tubulaire. On peut en outre considérer comme avantageux de pourvoir la chemise et/ou la surface frontale du piston d'une étanchéité. Dans les cas de sollicitation et d'utilisation indiqués, il est expressément avantageux que la chambre à gaz soit remplie, de façon appropriée, d'un gaz rare, ayant un exposant adiabatique dépassant la valeur 1,4. L'invention va être expliquée dans la suite de façon plus détaillée en référence à quelques exemples avantageux de réalisation, à l'aide des dessins anne- xés, qui représentent le cylindre hydraulique selon l'invention en coupe longitudinale et dans lesquels la figure 1 représente un étançon dans lequel la chambre à gaz est disposée à l'intérieur du cylindre intérieur, la figure 2 représente une solution dans laquelle la chambre à gaz de l'étançon est constituée par une membrane élastique placée à l'intérieur du cylindre intérieur, la figure 3 représente une solution dans la- quelle la chambre à gaz est disposée dans l'appendice creux du cylindre extérieur, et la figure 4 représente un agencement dans lequel la chambre à gaz est produite par la membrane existant dans l'appendice creux du cylindre extérieur. Dans tous les exemples de réalisation, les constituants de l'étançon sont désignés comme suit cylindre extérieur 11, cylindre intérieur 12, chambre hydraulique de pression 13, chambre à gaz 14, piston , fond 16, appendice creux 17, membrane 18, tampon de liquide 19, valve de remplissage 20, trou 21, virole 22, robinet de remplissage 23, systèmed remplissage 24 et orifice d'évent 25. Dans les exemples de réalisation représentés sur les figures 1 et 2, le piston 15 disposé dans le cylindre intérieur 12 sépare l'une de l'autre la chambre hydraulique de pression 13, prévue entre le cylindre extérieur 11 et le cylindre intérieur 12, et la chambre à gaz 14 Ce piston 15 peut se déplacer à l'intérieur du cylindre intérieur 12 et il est pourvu d'une étanchéité le long de sa surface périphérique, de même que sur sa surface frontale qui, au repos, est en butée à l'intérieur du cylindre intérieur 12 La cham- bre à gaz 14 est placée dans la partie du cylindre inté- rieur 12 qui est située en'arrière du piston 15 et qui peut être remplie, à l'aide du robinet de remplissage 23 dans l'exemple de la figure 2 à l'aide du système de remplissage 24 jusqu'à la pression de précontrainte nécessaire Il apparaît comme avantageux de choisir pour la pression de précontrainte une valeur supérieure à la pression de déclenchement de la soupape de sécuri- té traditionnelle (non représentée dans ce cas) car de cette manière l'étançon se comporte comme un étançon traditionnel lors d'une contraction lente tandis que l'étanchéité de la chambre à gaz 14 est assurée dans ce cas par le joint d'étanchéité prévu sur la surface frontale du piston 15 alors immobile. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 2, la membrane élastique 18 disposée à l'intérieur du cylindre intérieur 12 délimite la chambre à gaz 14 Cette membrane 18 est disposée dans la chemise-22 qui forme un contre-appui pour la membrane constituée d'un matériau élastique car la membrane 18, et la chambre à gaz 14 délimitée par la membrane sont plus petites que la caité du cylindre intérieur 12. A l'intérieur de la chemise 22, le volume compris entre le piston 15 et la membrane 18 est rempli du tampon de liquide 19 qui empêche, en se comprimant sous l'effet de la pression existant dans la chambre à gaz 14, le coincement de la membrane 18 lors du coulissement du piston 15 Pour le remplissage du tampon de liquide 19, il est prévu la valve de remplissage 20 disposée dans le piston 15 et l'ori- fice d'évent 21 La membrane 18 peut faire l'objet d'un remplissage ou être réglée à la valeur de pression désirée par l'intermédiaire du système de remplissage 24. Dans les modes de réalisation des figures 1 et 2, un appendice creux 17 est formé sur le fond 16 du cy- lindre extérieur 11 et son diamètre extérieur est plus petit que J diamètre de la cavité du cylindre intérieur 12 en dessous du piston 15 Avantageusement, on mut prévoir plusieurs échelons de diamètre sur les deux éléments qui se rejoignent, de manière que la différence de diamètre, c'est-àdire le jeu, soit réduite pro- gressivement Dans les agencements des figures 3 et 4, la chambre à gaz 14 est formée à l'intérieur de l'appendice creux 17 prévu sur le fond 16 du cylindre extérieur 11 Le remplissage dela chambre à gaz 14 et le réglage de la pression de gaz nécessaire sont effec- tués par l'intermédiaire du robinet de remplissage 23 Dans ce cas également, on doit choisir pour la valeur de la pression de précontrainte une valeur supérieure à celle de la pression de décharge de la soupape de sécurité traditionnelle. Dans les deux solutionst la chambre à gaz 14 est délimitée par le piston disposé à l'extrémité ouverte de l'appendice creux 17 et dont les étanchéités correspondent à celles des figures 1 et 2 Le piston sépare la chambre à gaz 14 -de la chambre hydraulique de pression 13 Dans l'agencement de la figure 3, la chambre à gaz 14 représente la partie de l'appendice creux 17 qui est obturée par le piston 15. Comme le montre la figure 4, la chambre à gaz 14 est dans ce cas délimitée par la membrane élastique 18 disposée dans l'appendice creux 17 Dans ce cas, il est prévu entre le piston 15 et la membrane 18 un tampon de liquide 19 remplissant la même fonction que dans la solution de la figure 2 Le tampon de liquide 19 est introduit par l'intermédiaire de la valve de remplissage 20 tandis que l'évacuation de l'air contenu dans la cavité peut s'effectuer par l'in- -termédiaire de l'orifice d'évent et de décharge 21. Les solutions des figures 3 et 4 peuvent en outre être caractérisées par le fait que l'appendice creux 17 s'adapte dans la cavité du cylindre intérieur 12 Dans ce cas également, il est prévu avantageusement des échelons de diamètre, avec des cotes-d'intervalle qui diminuent de plus en plus Le remplissage du cylindre intérieur 12 est assuré par l'intermédiaire du dispositif d'évent 25. L'étançon hydraulique conforme à l'invention, décrit ci-dessus, fonctionne de la manière suivante Lorsque le cylindre intérieur 12 de l'étançon hydraulique est soumis à une sollicitation dynamique de grande énergie se manifestant brusquement, à la façon d'un choc, la pression du liquide se trouvant dans la chambre hydraulique de pression augmente et atteint la valeur nécessaire pour le déplacement du piston 15, cette valeur correspondant pratiquement à la pression de précontrainte de la chambre à gaz 14 ou du tampon de liquide 19 Sous l'effet de l'augmen- tation de la pression hydraulique, le piston 15 se déplace en direction de la chambre à gaz 14 et il en résulte que la pression du gaz augmente par suite de la compression, ou en d'autres termes que l'étançon est capable d'accumuler l'énergie de choc. De cette manière, la pression hydraulique maximale se produisant dans l'étançon est fonction de la pression initiale dans la chambre à gaz 14, de la nature et de la quantité du gaz et, par comparaison avec les étançons classiques, elle est bien plus faible dans les mêmes circonstances; la durée de mise en pression est allongée de sorte qu'on dispose d'un temps suffisant pour l'ouverture de la soupape de sécurité ou bien de la soupape de protection contre les coups de mine utilisée éventuellement. Lorsque le cylindre hydraulique se trouve dans une position se rapprochant de la condition de con- traction maximale et lorsqu'il est alors soumis à une grande force dynamique qui appellerait une contraction supérieureàla distance séparant le fond 16 du cylindre intérieur 12, le cylindre intérieur 12 qui poursuit son déplacement sous l'action de la force - isole le volume intérieur du cylindre intérieur de la chambre hydraulique de pression 13 entourant également l'appendice creux Le cylindre intérieur 12 coulisse notamment sur l'appendice creux 17 et l'équilibrage de pression peut s'établir exclusivement par l'inter- médiaire des intervalles existant entre eux Ainsi, par le freinage hydrodynamique, on évite l'effet du choc de butée métal-contre-métal, s'exerçant puissamment et de façon perturbatrice dans-les réalisations con- nues, ou tout au moins on l'atténue dans des propor- tions importantes. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation cidessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention; ainsi par exemple la chambre à gaz peut être formée par une membrane tubulaire mais il est cependant également possible d'envisager une disposition à l'extérieur du cylindre hydraulique. Les avantages essentiels de la structure con- forme à l'invention peuvent être condensés comme suit 1 Dans le cas de chocs d'une énergie si élevée qu'ils provoquent l'ouverture de la valve de protec- tion contre les coups de mine d'un étançon traditionnel et la décharge du liquide, a pression n'atteint pas la valeur réglée pour l'ouverture de la valve de protec- tion contre les coups de mine de sorte que le poinçon ou le soutènement restent en action. 2 Lorsqu'il se manifeste d'autres énergies de percussion encore plus fortes qui provoqueraient l'é- crasement d'un étançon traditionnel, on produit, avec l'étançon hydraulique conforme à l'invention, une pres- Sion inférieure à la valeur critique ou bien on dispose d'un temps suffisant pour l'ouverture de la valve de pro- il tection contre les coups de mine et d'autres valves. Il en résulte que les valeurs de crêtes des sollicita- tions sont bien plus faibles, ce qui permet une dimi- nution importante des dimensions et des poids des étançons hydrauliques ou bien des soutènements les utilisant, alors que la capacité de sollicitation est simultanément augmentée. 3 Egalement dans le cas d'une sollicitation dynamique avec une force élevée, accompagnant le coup de mine et se déroulant rapidement, on peut éviter le choc puissant métal-contre-métal qui conduirait autrement à un endommagement et même à un écrasement de l'étançon hydraulique. 4 Après cessation de la surcharge dynamique, les conditions de pression dans la chambre de pression du cylindre hydraulique sont rétablies élastiquement par la dilatation de la chambre à gaz. La contraction élastique du cylindre hydrauli-. que ne dépend pas de ce que l'étançon se trouve à l'état télescopé ou développé. 6 La section de la chambre à gaz est proche de celle du cylindre intérieur de sorte que la capacité d'équilibrage de pression et d'absorption d'énergie peut également agir de façon non perturbée et sans limitation même lors d'une sollicitation brusque, rapi- de, à la façon d'un choc grâce à la fonction combinée. 7 Par le choix approprié de la matière de remplis- sage de la chambre à gaz, on peut régler les conditions de l'absorption d'énergie et de la mise en charge. 8 Le cylindre hydraulique a une structure simple et son utilisation est tout à fait commode du point de vue'de la sécurité du travail et des conditions-d'exploi- tation. REVENDICATIONS 1 Cylindre hydraulique, qui se compose du cylindre extérieur, d'au moins un cylindre intérieur placé dans celui-ci et en outre du système à valves, le cas échéant d'une ou de plusieurs valves de protection contre les coups de mine et/ou des valves de sécurité, caractérisé en ce qu'il est prévu entre le cylindre ex- térieur ( 11) et le cylindre intérieur ( 12) une chambre hydraulique de pression ( 13), en ce qu'une chambre à gaz ( 14) est reliée à la chambre hydraulique de pres- sion ( 13) et en ce qu'il est en outre prévu dans la chambre hydraulique de pression ( 13) un appendice creux ( 17) s'adaptant dans le cylindre intérieur ( 12). 2 Cylindre hydraulique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre à gaz ( 14) est formée dans le cylindre intérieur ( 12) et/ou dans l'appendice creux ( 17) et en ce que la chambre à gaz ( 14) ainsi que la chambre hydraulique de pression ( 13) sont séparées l'une de l'autre à l'aide d'un pis- ton ( 15). 3 Cylindre hydraulique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre à gaz ( 14) est dis- posée à l'extérieur du cylindre extérieur ( 11). 4 Cylindre hydraulique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un ou plusieurs échelons de diamètres différents sont formés sur la périphérie de l'appendice creux ( 17) et/ou dans la cavité correspon- dante du cylindre intérieur ( 12), avec un certain jeu. Cylindre hydraulique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le jeu d'adaptation diminue dans la direction de déplacement. 6 Cylindre hydraulique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la chambre à gaz ( 14) est formée par la membrane ( 18) et en outre par le tampon de liquide ( 19) disposé en cas de besoin entre la membrane ( 18), le piston ( 15) et le cy Jindre intérieur ( 12) ou bien la paroi intérieure de l'appendice creux ( 17). 7 Cylindre hydraulique selon l'une des revendications 2 et 6, caractérisé en ce qu'il est prévu une chemise ( 22) dans le cylindre intérieur ( 12), le cas échéant entre la membrane ( 18) et le cylindre intérieur ( 12), ou bien dans l'appendice creux ( 17) 8 Cylindre hydraulique selon l'une des re- vendications 6 et 7, caractérisé en ce que la membrane ( 18) est agencée sous forme d'une membrane tubulaire. 9 Cylindre hydraulique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est prévu un joint d'étanchéité sur la périphérie et/ou sur la surface frontale du piston ( 15). Cylindre hydraulique selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le gaz de remplissage de la chambre à gaz ( 14) est avanta- geusement un gaz rare, ayant un exposant adiabatique qui est supérieur à 1,4.