Brevet FR2544083A1 — publié le 19841012

"Appareil de détection de vitesse angulaire, du genre gyromètre, et son application aux grues à tour" La présente invention est relative à un appareil capable de détecter la vitesse angulaire absolue d'un corps monté tournant autour d'un axe vertical, et notamment la vitesse de rotation de la flèche orientable d'une grue à tour. On connaît des appareils appelés gyromètres, servant à mesurer la vitesse angulaire par rapport au sol d'un corps susceptible de tourner autour d'un axe vertical, ces appareils utilisant les effets gyroscopiques d'une masse d'inertie pouvant osciller autour d'un axe horizontal tout en tournant sur elle-même, à grande vitesse, autour d'un axe perpendiculaire au précédent et, de préférence, lui aussi sensiblement horizontal. Les gyromètres actuels, réalisés selon le principe qui vient d'être rappelé, sont surtout employés comme instruments de navigation aérienne, et leur construction est relativement complexe et coûteuse. Le rotor avec son moteur d'entraînement est habituellement placé à l'intérieur d'un cadre, lequel est monté oscillant par deux pivots opposés sur un support ou à l'intérieur d'un boîtier. L'utilisation d'un cadre limite les dimensions du rotor constituant masse d'inertie, ce qui rend nécessaire l'entraînement du rotor à une vitesse de rotation très élevée par un moteur électrique spécial, donc coûteux. De plus, ces appareils comportent généralement un dispositif électrique tel qu'un autre moteur, associé à un asservissement et créant un couple de rappel de-l'ensemble oscillant, ce qui complique évidemment la réalisation. Le but de l'invention est de réaliser un gyromètre simple, fiable et bon marché, pour des applications ne nécessitant pas une précision très élevée et dans lesquelles les dimensions de l'appareil et notamment de son rotor ne sont pas limitées. A cet effet, l'invention a essentiellement pour objet un appareil de détection de vitesse angulaire, du genre gyromètre, comprenant un bâti qui est solidaire du corps monté tournant autour d'un axe vertical dont on désire mesurer la vitesse, et qui comporte au moins un palier supportant un arbre horizontal oscillant à une extrémité duquel est fixé un moteur électrique placé en porte-à-faux dont l'axe est perpendiculaire à l'arbre précité et dont le rotor constitue lui-même la masse d'inertie ou est lié en rotation à au moins un volant d'inertie, l'ensemble oscillant comprenant l'arbre et le moteur monté en porte-à-faux étant associé à des moyens de rappel élastique en position de repos avec amortissement, ainsi qu'à un ou des capteurs de déplacement.L'axe d'oscillation de l'arbre est de préférence concourant avec l'axe de rotation vertical du corps tournant. L'axe du moteur électrique est horizontal lorsque l'ensemble constitué par l'arbre oscillant et ce moteur se trouve en position de repos. Avantageusement, le moteur électrique comporte un double arbre de sortie, portant deux volants d'inertie placés de part et d'autre du moteur. Le moteur étant monté en porte-à-faux, l'ensemble constitué par le rotor de ce moteur et par les deux volants d'inertie constitue une masse tournante qui n'est pas limitée par les dimensions d'un cadre l'emprisonnant, ce qui permet d'utiliser un moteur plus gros et des volants d'inertie relativement volumineux, donc d'employer un moteur de plus faible vitesse que ceux des gyromètres habituels, et en particulier un moteur électrique de type courant, donc bon marché, alimenté par un réseau à fréquence industrielle. Selon une forme de réalisation particulière de l'invention, l'arbre horizontal oscillant qui supporte le moteur porte encore une tige radiale dont l'extrémité libre est placée entre deux ressorts de rappel agissant en sens opposés. Deux amortisseurs sont avantageusement intercalés entre l'extrémité libre de ladite tige et chacun des ressorts de rappel. Dans une exécution préférée, cette tige est située dans un plan passant par l'axe d'oscillation horizontal et perpendiculaire à l'axe du moteur électrique, et elle occupe une position verticale au repos. On réalise ainsi un système simple de rappel et d'amortissement, pour l'ensemble comprenant l'arbre oscillant, le moteur et les volants. Les capteurs au nombre de deux par exemple électro-magnétiques, pouvant être disposés dans le plan du mouvement d'oscillation de cet ensemble, symétriquement par rapport à la position de repos de ce dernier, pour détecter un pivotement dans l'un ou l'autre sens à partir de la position de repos. Ces capteurs peuvent notamment être placés de manière à détecter les déplacements, dans un sens ou dans l'autre, d'un support par lequel le moteur est fixé en porte-à-faux sur l'arbre oscillant. Le gyromètre défini ci-dessus est entre autres utilisable pour détecter la vitesse de rotation, autour d'un pivot vertical, de la flèche d'une grue à tour du type dit "tournant du haut", c'est-à-dire dans laquelle le mât est fixe et porte à son sommet le mécanisme pour l'orientation de la flèche. L'ensemble de la partie tournante possède ici une inertie très importante, et le mât constitue pour le mécanisme d'orientation un support de réaction élastique, travaillant à la fois à la compression, à la flexion et à la torsion ; les déformations dynamiques du mât pendant le pivotement d'orientation de la flèche sont susceptibles de faire apparaître des à-coups de fonctionnement ou des réactions inopportunes de la grue, et pour éviter ces désagréments il s'est - avéré nécessaire d'avoir un système d'asservissement incluant un dispositif mesurant la vitesse de rotation absolue, donc par rapport au sol, de la flèche, en s'affranchissant de toute liaison élastique avec l'engin de levage (voir demande de brevet français N" 82 01128 du Si.1.1982 au nom de la Demanderesse). Le gyromètre selon l'invention convient parfaitement à cette application, pour laquelle la précision relative obtenue est acceptable, et dans laquelle on dispose, dans la zone du pivot permettant l'orientation de la flèche, d'un espace suffisant pour loger cet appareil. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples non limitatifs, quelques formes d'exécution de cet appareil de détection de vitesse angulaire, et illustrant son application aux grues à tour Figure 1 est une vue d'ensemble, en perspective et avec coupe partielle, d'un appareil conforme à la présente invention dans une première forme de réalisation Figure 2 est une vue de face très schématique de l'appareil de figure 1, montrant plus particulièrement la disposition des capteurs Figures 3 et 4 sont des vues de face similaires à figure 2, montrant la disposition des capteurs dans deux variantes de réalisation de cet appareil ; ; Figure 5 est une vue très schématique d'une grue à tour, montrant l'implantation de l'appareil selon l'invention pour la détection de la vitesse de rotation de la flèche. L'appareil représenté aux figures 1 à 4 comprend un bâti (1), indiqué très schématiquement, solidaire du corps (2) qui est monté tournant autour d'un axe vertical (3) et dont la vitesse de rotation doit être mesurée. Le bâti (1) est fixé sur le corps (2) à distance convenable de l'axe (3); il se trouve donc entraîné dans la rotation du corps (2), avec tous les organes décrits ci-après du dispositif qu'il supporte. Sur un côté du bâti (1) sont montés deux roulements coaxiaux (4,5) dans lesquels est monté tournant un arbre oscillant (6) dont l'axe géométrique (7) est horizontal et de préférence concourant avec l'axe de rotation vertical (3) du corps (2). L'arbre (6) possède une extrémité libre sur laquelle est fixé en porte-à-faux, par l'intermédiaire d'un support (8), un moteur électrique (9) de type courant, à faible vitesse, dont l'axe (10) est perpendiculaire à l'axe d'oscillation (7) de l'arbre (6), et occupe une position neutre horizontale lorsque l'ensemble est au repos. L'arbre de sortie (11) du moteur (9) débouche à l'extérieur aux deux extrémités de ce moteur, et il porte deux volants d'inertie (12,13) placés de part et d'autre dudit moteur (9). L'ensemble formé par le rotor du moteur électrique (9), son arbre (11) et les deux volants (12,13) constitue une masse tournante autour de l'axe (10) créant les effets gyroscopiques. L'arbre oscillant (6) porte, par exemple dans sa partie située entre les deux roulements (4,5), une tige radiale (14) qui est liée en rotation avec cet arbre (6) et dont l'extrémité libre forme une tête (15). Les deux roulements (4,5) et la tige (14) sont logés dans un boîtier (16) fixé au bâti (1) et possédant une partie inférieure (17) à conformation tubulaire, d'axe horizontal. Le boîtier (16) est dimensionné de manière à permettre l'oscillation de la tige (14) de part et d'autre d'une position neutre verticale, pour autoriser le pivotement, autour de l'axe (7), de l'ensemble oscillant comprenant l'arbre (6), le moteur (9) avec son support (8) et les volants (12,13), ainsi que la tige (14). De part et d'autre de la tête (15) de la tige (14), à l'intérieur de la partie tubulaire (17) du boîtier (16), sont placés deux amortisseurs (18,19) d'un type quelconque connu, notamment hydraulique. Un premier ressort de rappel (20) est comprimé entre l'un des amortisseurs (18) et une vis de réglage (21) placée dans un taraudage ménagé à une extrémité de la partie tubulaire (17). Un second ressort de rappel (22), agissant dans le sens opposé du premier, est comprimé entre l'autre amortisseur (19) et une vis de réglage (23) placée dans un taraudage ménagé, symétriquement au premier, à l'autre extrémité de la partie tubulaire (17). Le bâti (1) porte encore deux capteurs (24,25), par exemple de type inductif, visibles l'un et l'autre à la figure 2, qui sont montés sur un support (26) et disposés symétriquement, à une distance convenable l'un. de l'autre, par rapport à la position qu'occupe le support (8) du moteur (9) lorsque l'appareil est au repos.Ainsi, en position de repos, l'entrefer (el) entre le premier capteur (24) et le support (8) est égal à l'entrefer (e2) entre le second capteur (25) et le support (8). Les deux capteurs (24,25), sont reliées par des fils (27) à un organe de lecture non représenté, auquel ils transmettent leurs informations.Lors du pivotement autour de l'axe (7) de l'ensemble comprenant l'arbre (6), le moteur (9) et les volants (12,13), le support (8) du moteur (9) se déplace entre les deux capteurs (24,25) qui en détectent le déplacement. Simultanément, la tête (15) de la tige (14) se déplace sensiblement suivant l'axe de la partie tubulaire (17) du boîtier (16), suivant la flèche (28), et elle agit ainsi dans un sens ou dans l'autre sur l'ensemble constitué par les deux amortisseurs (18,19) et les deux ressorts de rappel (20,22). En vue de l'utilisation de l'appareil, on procède préalablement à un réglage au repos. Pour cela on étalonne dans cette position l'organe de lecture au zéro, alors que les deux capteurs (24,25) sont équidistants du support (8) du moteur (9), donc équipotentiels. On place de même le double amortisseur (18,19) en position neutre, et l'on règle les deux ressorts de rappel (20,22) à l'aide des vis respectives (21,23), avec si besoin est une précontrainte symétrique de part et d'autre de la tige (14). En fonctionnement, le corps (2) étant initialement immobile, on met en mouvement autour de l'axe (10) le rotor du moteur (9) et les deux volants d'inertie (12,13). Si le corps (2) est alors mis en rotation autour de l'axe vertical (3), dans un sens ou dans l'autre comme indiqué par une double flèche (29), par effet gyroscopique il y a pivotement autour de l'axe horizontal (7), dans un sens ou dans l'autre, de tout lten- semble comprenant l'arbre (6), le support (8), le moteur (9) et les volants (12,13), si bien que le support (8) se rapproche de l'un des capteurs (24,25) et s'éloigne de l'autre jusqu'a une nouvelle position d'équilibre qui est fonction de la vitesse angulaire absolue du corps (2). I1 en résulte un courant électrique d'écart qui permet de lire la vitesse de rotation du corps (2).En effet, le couple produisant le pivotement de l'ensemble précité autour de l'axe (7) est proportionnel à cette vitesse, et il en est de même du déplacement du support (8), donc du courant engendré à partir de capteurs (24,25) convenablement choisis et disposés. Par ailleurs le double amortisseur (18,19) a pour effet de stabiliser le système en réduisant les oscillations autour de l'axe (7), tandis que les ressorts de rappel (20,22) ramènent l'appareil à sa position neutre dès que cesse la rotation du corps (2) autour de l'axe (3). Dans une variante, Illustrée par la figure 3, le moteur électrique (9) monté en porte-à-faux est fixé à l'arbre oscillant (6) par un collier (30) réalisé en deux parties, dont l'une comporte un bras (31) ayant son extrémité libre située et déplaçable entre deux capteurs inductifs (24,25) disposés symétriquement sur un support t26) solidaire du bâti de l'appareil. le réglage de l'écartement (E) des deux capteurs (24,25), et de leurs entrefers respectifs (el ,e2), est facilité dans cette variante en raison d'une plus grande accessibilité des capteurs. Dans une autre variante - de l'appareil, représentée à la figure 4, le moteur électrique (9) monté en porte-à-faux est fixé à l'arbre oscillant (6) par un collier (30) réalisé en deux parties, dont l'une comporte un bras (31) ayant son extrémité libre située et déplaçable à l'intérieur d'un capteur inductif unique (32) en forme de "U". L'écartement (E) étant ici fixé par construction, le réglage est encore facilité par rapport à la première variante puisqu'il suffit d'assurer au repos l'égalité des deux entrefers (el,e2). Le capteur (32) peut inclure un circuit électronique lui permettant de délivrer, sur le fil de liaison (27), un signal électrique amplifié directement utilisable. L'appareil de détection de vitesse angulaire, réalisé et fonctionnant comme décrit ci-dessus, est entre autres applicable à la détection de la vitesse angulaire de rotation de la flèche (33) d'une grue à tour du type dit "tournant du haut", telle que représentée à la figure 5. Dans cette application, l'appareil de détection de la vitesse angulaire peut être intégré à un dispositif d'asservissement et de contrôle de la vitesse (34) disposé au niveau du poste de conduite (35) de la grue à tour, sur le mât supérieur tournant (36) de ladite grue à tour. L'ensemble de la partie tournante, comprenant principalement la flèche (33), la contreflèche (37), le contrepoids (38) et les accessoires de levage (39) avec ou sans charge utile, possède ici une inertie très importante et variable en fonction de l'état de charge de la grue. Le mât fixe (40) constitue pour le mécanisme d'orientation (41) un support de réaction élastique travaillant simultanément à la compression, à la flexion et à la torsion. L'appareil objet de la présente invention, placé en (34) comme indiqué ci-dessus, mesure la vitesse de rotation absolue, donc par rapport au sol, de la partie tournante (42) de la grue en s'affranchissant de toute liaison élastique, et il délivre un courant électrique dont la tension est proportionnelle à la vitesse de rotation comptée positivement ou négativement suivant le sens du mouvement. Cette information électrique, introduite dans le dispositif d'asservissement et de contrôle de la vitesse (34), tel que décrit dans la demande de brevet français N" 82 01118 du 19.1.1982 au nom de la Demanderesse, permet d'asservir le mouvement de rotation en réduisant, au niveau désiré, les effets dynamiques induits dans la structure. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de cet appareil de détection de vitesse angulaire qui ont été décrites ci-dessus, à titre d'exemples ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application comportant des moyens équivalents. Ainsi, on pourrait utiliser le même élément, lié en rotation avec l'arbre (6), pour agir à la fois sur les capteurs (24,25) et sur le système d'amortissement et de rappel (18 à 23), monté dans ce cas en parallèle avec les capteurs. REVENDICATIONS 1. Appareil de détection de la vitesse angulaire absolue d'un corps monté tournant autour d'un axe vertical, du genre gyromètre, c est-à-dire utilisant les effets gyroscopiques d'une masse d'inertie pouvant osciller autour d'un axe horizontal tout en tournant sur elle-même autour d'un axe perpendiculaire au précédent et de préférence sensiblement horizontal, caractérisé en ce qu'il comprend un bâti (1) qui est solidaire du corps (2) monté tournant autour d'un axe vertical (3) dont on désire mesurer la vitesse, et qui comporte au moins un palier (4,5) supportant un arbre horizontal oscillant (6) à une extrémité duquel est fixe un moteur électrique (9) placé en porte-à-faux, dont l'axe (10) est perpendiculaire à l'arbre précité (6) et dont le rotor constitue luimême la masse d'inertie ou est lié en rotation à au moins un volant d'inertie (12,13), L'ensemble oscillant comprenant l'arbre (6) et le moteur (9) monté en porte-à-faux étant associé à des moyens de rappel élastique en position de repos avec amortissement (14 à 23), ainsi qu'à un ou des capteurs de déplacement (24,25 ; 32). 2. Appareil de détection de vitesse angulaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe (10) du moteur électrique (9) placé en porte-à-faux est horizontal, dans la position de repos de l'ensemble comprenant l'arbre horizontal oscillant (6) et ledit moteur (9). 3. Appareil de détection de vitesse angulaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moteur électrique (9) comporte un double arbre de sortie (il), portant deux volants d'inertie (12,13) placés de part et d'autre du moteur (9). 4. Appareil de détection de vitesse angulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le moteur (9) est un moteur électrique de type courant, alimenté par un réseau à fréquence industrielle. 5. Appareil de détection de vitesse angulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'arbre horizontal oscillant (6) supportant le moteur (9) porte encore une tige radiale (14) dont l'extrémité libre (15) est placée entre deux ressorts de rappel (20,22) agissant en sens opposés. 6. Appareil de détection de vitesse angulaire selon la revendication 5, caractérisé en ce que deux amortisseurs (18,19) sont intercalés entre l'extrémité libre (15) de la tige (14) et chacun des ressorts de rappel (20,22). 7. Appareil de détection de vitesse angulaire selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la tige (15) est située dans un plan passant par l'axe d'oscillation horizontal (7) et perpendiculaire à l'axe (10) du moteur électrique (9), et occupe une position verticale au repos. 8. Appareil de détection de vitesse angulaire selon l'ensemble des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la tige radiale (14) portée par l'arbre oscillant (6) est logée dans un boîtier (16) fixé au bâti (1) et possédant une partie inférieure (17) à conformation tubulaire, d'axe horizontal, renfermant l'extrémité (15) de ladite tige, les deux amortisseurs (18,19) et les deux ressorts de rappel (20,22), associés à des vis de réglage (21,23) placées dans des taraudages ménagés aux extrémités de la partie tubulaire (17). 9. Appareil de détection de vitesse angulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend deux capteurs (24,25) disposés symétriquement de manière à détecter les déplacements, dans un sens ou dans l'autre, d'un support (8) par lequel le moteur électrique (9) est fixé en porte-à-faux sur l'arbre oscillant (6). 10. Appareil de détection de vitesse angulaire selon la revendication 9, caractérisé en ce que le support du moteur électrique (9) monté en porte-à-faux est un collier (30) comportant un bras (31) ayant son extrémité libre située et déplaçable entre les deux capteurs (24,25) disposés symétriquement. Il. Appareil de détection de vitesse angulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le support du moteur électrique (9) monté en porte-à-faux est un collier (30) comportant un bras (31) ayant son extrémité libre située et déplaçable à l'intérieur d'un capteur unique (32) en forme de "U". 12. Application aux grues à tour de l'appareil de détection de vitesse angulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'appareil de détection de vitesse angulaire est disposé sur le mât supérieur tournant (36) d'une grue à tour du type dit "tournant du haut", de manière à mesurer la vitesse de rotation absolue de la partie tournante(42)de la grue comprenant la flèche (33), pour délivrer une information électrique à un dispositif d'asservissement et de contrôle de la vitesse (34).