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Perfectionnements apportés aux moteurs pour couloirs oscillants ou. autres applications.
On utilise en général dans les mines pour la des- cente des charbons des couloirs inclinés 1 (fig. 1) sus- pendus à des chaînes 2 ;ces couloirs sont animés de mouve- ments de va et vient suivant 3 et en sens inverse par un moteur à air comprimé 4. On admet l'air dans la chambre 5 de ce moteur, ce qui détermine la montée du couloir suivant 3 ; puis on fait échapper l'air comprimé de la chambre 5
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et le couloir revient en sens inverse de 3 sous l'action de la pesanteur. Le couloir prend ainsi un mouvement saccadé, la montée du couloir étant plus rapide que la descente, ce qui produit la progression intermittente du charbon dans le sens de la gravité.
L'échappement, avant la fin du mouvement de descen- te, se trouve obturé assez tôt pour que l'air, sous la face arrière du piston, soit porté à la pression d'admission lorsque celle-ci commence. De la sorte on n'a pas à tenir compte de l'espace mort toujours considérable qu'on doit laisser à l'arrière du piston pour créer un coussin pneumati- que. La consommation d'air comprimé se limite rigoureusement au volume engendré par le déplacement du piston.
Néanmoins dans ces conditions, qui sont les plus favorables, on voit qu'on laisse échapper à chaque course l'air comprimé qui a servi à remonter le couloir.
Il en résulteune consommation importante d'air comprimé.
La présente invention a pour but de perfectionner ces dispositifs connus, en réduisant autant que possible les consommations d'air comprimé ; en outre comme il est expliqué plus loin, elle a pour but d'améliorer le rendement de ces moteurs en évitant en particulier les pertes d'énergie par transmission de chaleur des masses d'air travaillantes au milieu extérieur.
Un moteur conforme à l'invention pour couloirs os- cillants ou autres applications analogues est caractérisé par la combinaison d'un piston moteur et d'un piston d'équi- librage, sur lequel est maintenue une masse d'air isolée, dont la pression au repos équilibre statiquement le couloir, et assure sa suspension pneumatique et dont la compression adiabatique pendant le mouvement de descente du couloir four- nit l'énergie nécessaire pour vaincre le travail de la pe- santeur du couloir et les résistances passives pendant le mouvement de montée de ce couloir.
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L'invention s'étend aussi à de nombreuses autres caractéristiques ci-après décrites et à leurs diverses com- binai s ons .
Divers dispositifs conformes à l'invention sont représentés à titre d'exemple sur les dessins ci-joints dans lesquels :
La fig. 2 est une coupe longitudinale d'un moteur conforme à l'inventi on ;
La fig. 3 est une coupe transversale de ce moteur suivant la ligne brisée 3-3-3-3 de la fig. 2 ;
Les fig. 4 et 5 sont deux coupes longitudinales du moteur dans deux positions différentes ;
La fig. 6 est une coupe schématique de l'ensemble de l'installation montrant les divers efforts sollicitant le système ;
La fig. 7 est une coupe longitudinale partielle du moteur dans une autre position de fonctionnement ;
Les fig. 8,9 et 10 sont des graphiques explicatifs;
La fig. 11 est une coupe longitudinale axiale d'u- ne variante de l'invention ;
La fig. 12 est une coupe à plus grande échelle du dispositif de distribution d'air comprimé au piston moteur (dans cette vue on a supposé pour la simplicité du dessin que l'on avait rapproché de ce dispositif de distri- bution, le mécanisme,de masselotte qui le commande);
La fig. 13 est une vue de détail partielle de cette masselotte dans une position particulière ;
Les fig. 14 et 15 représentent deux diagrammes correspondant à la machine des fig. de 11 à 13 .
Le moteur représenté sur les fig. 2 et 3 comporte un cylindre moteur 10 et un cylindre d'équilibrage 11 de diamètre plus grand que celui du cylindre moteur. Deux pistons 12 et 13, l'un moteur et l'autre d'équilibrage, coulissent respectivement dans ces deux cylindres et sont reliés l'un à l'autre par une tige 14 ; cette tige est
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elle-même articulée en 15 à la bielle d'actionné ment du couloir.
Le piston 13 porte une contre tige 16 qui coulisse dans un tiroir cylindrique 17, ce tiroir se trouvant ainsi intercaléentre deux brides 18,19 soli- daires de cette contre tige.
Le tiroir cylindrique 17 commande un étroit orifice 20 qui débouche dans une canalisation 24 d'air comprimé à 4 kilogs effectifs par exemple ; cette canalisa- tion est commandée par un robinet d'amenée d'air 21 ; une soupape 22 est disposée dans la canalisation 24 et s'op- pose à tout retour d'air dans cette canalisation.
Un orifice triangulaire 25 est ménagé dans le cylindre d'équilibrage 11 et débouche librement à l'at- mosphère dans le but exposé ci-après.
Le cylindre moteur 10 présente un orifice 28 d'admission d'air comprimé qui débouche dans une branche 241 de la canalisation 24 et un orifice d'échappement 29 à section très large qui débouche librement à l'atmos- phère ; un robinet 38 commande la branche 241.
Une chemise 30 peut librement coulisser dans le cylindre moteur 10 et présente un orifice 31 qui peut venir en concordance avec l'un ou l'autre des orifi- ces 28 et 29.
Des ressorts 341 et 342 sont disposés dans des évidements 351, 352, de la chemise 30 et peuvent soit faire saillie à l'intérieur de la chemise 30, soit au contraire s'enfoncer dans des saignées 361, 362 du cylindre 10 : lesfig. 2 et 3 représentent le ressort 341 faisant saillie à l'intérieur de la chemise 30, tan- dis que le ressort 342. est masqué dans la saignée 362 du cylindre 10.
Le moteur précédemment décrit fonctionne de la façon suivante. Dans une position au repos le piston d'équilibrage 13 et le tiroir cylindrique 17 occupent
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les positions indiquées sur la fig. 4, ce tiroir laissant libre l'orifice étroit 20 d'admission d'air comprimé.
L'air compriméde la canalisation 24 se'détend en passant par l'orifice étroit 20 dans lequel il se la- mine ;la chambre 40 se remplit ainsi d'air dont-la pres- ,sion va en croissant peu à peu jusqu'à ce que la poussée exercée par cette masse d'air sur la face 131 du piston 13 équilibre la somme des efforts dûs à la composante sui- vant la pente du poids du couloir et du charbon qu'il porte et à la pression exercée par l'atmosphère sur la face 132 de ce piston.
Sitôt que la poussée exercée par la masse d'air 40 devient prédominante, le piston 13 se déplace suivant 41 (fig. 4),en entraînant avec lui le piston moteur 12 et le couloir 1.
A la fin de ce mouvement la contre tige 16 vient en prise par sa bride 19 avec le tiroir 17 et entraîne ce tiroir suivant 41, de telle sorte que l'orifice 20 d'admission d'air comprimé est fermé.
A partir de ce moment une masse d'air 40 se trouve complètement Isolée entre la face 131 du piston d'équilibrage et le fond du cylindre 11 ; elle constitue ainsi un matelas élastique assurant la suspension pneumati- que du couloir.
Pour mettre en mouvement cet ensemble parfaitement équilibré, il suffira d'un effort bien faible. C'est le travail qu'aura à fournir le piston moteur 12 fonctionnant à simple effet, l'air comprimé agissant à pleine admission sur sa face supérieure.
Ce mouvement se produit de la manière suivante :
D'abord le couloir est supposé monté à sa posi- tion haute et les divers éléments du moteur occupent les positions représentées sur la fig. 5;1'orifice 31 de la chemise 30 coïncide avec l'orifice 28 du cylindre mo- teur 10 ; cette chemise est d'ailleurs maintenue en position
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par le ressort 341 engagé dans la saignée 361 du cylin- dre 10. Le robinet 38 est ouvert, de telle sorte que l'air .comprimé de la canalisation 241 passe par les orifi- ces 28 et 31 et repousse le piston moteur 12 suivant 45.
L'ensemble du dispositif est alors soumis aux efforts suivants : d'abord la composante suivant la pente Ph du poids P du couloir 1 (fig. 6), l'effort moteur FM qui s'exerce sur le piston moteur 12 et la poussée PA due à la pression atmosphérique et exercée sur le pis- ton 13 s'ajoutent pour déplacer l'ensemble des deux pis- tons 12, 13, suivant 45.
D'autre part la masse d'air 40 isolée sous le piston 13, exerce sur ce piston une pression qui tend à s'opposer au déplacement de ce piston suivant 45.
La somme des trois premières forces, étant prédo- minante les pistons 12 et 13 se déplacent suivant 45 et compriment la masse d'air 40 ; comme cette compression est pratiquement très rapide et que la surface de contact des paroisdu cylindre d'équilibrage 11 est faible, la compression de cette masse est à peu près adiabatique.
L'admission d'air comprimé continue jusqu'à ce que le pis- ton 12, vienne occuper la position 121 (fig. 5) et heurte le ressort de butée 342: la chemise 30 devient ainsi solidaire du piston 12, et se déplace avec lui suivant 45 ; par suite l'orifice 31 cesse de coïncider avec 28 : l'admission d'air comprimé est coupée et l'orifi- ce 31 vient en concordance avec l'orifice 29, (fig. 7) ce qui détermine l'échappement de l'air moteur au-dessus du piston 12. En même temps le ressort 342 s'engage dans l'échancrure 362 et immobilise la chemise 30 à sa posi- tion d'échappement.
A ce moment la masse d'air isolée 40, qui s'est comprimée adiabatiquement pendant le mouvement de descente du couloir et a ainsi emmagasiné une certaine énergie, se
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détend et repousse brusquement l'ensemble des pistons 12 et 13 en sens inverse de 45, ce qui détermine la montée du couloir 1.
A la fin de ce mouvement le piston 12 heurte le ressort de butée 341 oorame il est indiqué sur la fig.
2 et ramène la chemise 30 à sa position initiale (fig. 5) c'est-à-dire dans une position telle que les orifices 31 et 28 coïncident et assurent une nouvelle admission d'air comprimé dans le cylindre moteur 10 : le cycle des mouve- ments précédents recommence.
On imprime ainsi au couloir des oscillations dans lesquelles le mouvement de descente du couloir s'effectue assez lentement, tandis que la détente de la masse d'air isolée 40 est très brusque et assure une montée brusque du couloir ; car l'air moteur s'échappe très rapidement par le large orifice 29 ; les conditions de ce mouvement sont ainsi très favorables à la descente régulière du charbon dans le couloir.
On peut d'ailleurs régler à volonté la force mo- trice exercée sur le piston moteur 12 et par suite les caractéristiques du mouvement d'oscillation du système en tournant plus ou moins le robinet 38, de manière à régler à volonté le mouvement d'oscillation que prend le système suivant la longueur et la charge du couloir à actionner.
Si un excès d'air comprimé se trouve isolé en 40, le piston 13 en se déplaçant en sens inverse de 45 découvre l'orifice 25, de telle sorte que l'excès d'air de cette masse 40 s'échappe à l'atmosphère.
Si au contraire la charge du couloir est trop considérable pour la masse d'air isolée 40, la course de descente du piston 13 suivant 45 s'allonge ; le tiroir 17 est repoussé par le piston 13 et découvre l'orifice 20, laissant entrer 'ainsi un supplément d'air comprimé venant de la conduite 24.
Si la charge du couloir est telle que la pression
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de la masse d'air 40 est, à fin de course, supérieure à celle de la conduite 24, tout retour d'air dans cette ca- nalisation 24 est empêché par le clapet 22 jusqu'à ce que, le piston 13 se déplaçant à nouveau en sens Inverse de 45, la pression de la masse d'air 40 devienne infé- rieure à la pression de la conduite d'air 24, ce qui déter- mine l'admission d'une quantité d'air supplémentaire. Ces quantités d'air supplémentaires compensent les fuites inévi- tables sur la périphérie du piston 13,
Le dispositif précédemment décrit assure au repos la suspension pneumatique et automatique du couloir quelle que soit sa charge.
On remarque en effet sur la fig. 4 que l'air comprimé qui sort de la conduite 24 par l'orifice étroit 20, s'établit en 40 à une pression qui croit progressivement jusqu'au moment où cette pression devient. suffisante pour déplacer le piston d'équilibrage 13 suivant 41 ; on obtient ainsi un réglage automatique'de la pression de la masse d'air 40 suivant le poids propre du couloir et de sa charge.
La masse d'air 40 équilibrant le poids du couloir et constamment isolée de la canalisation et de l'atmosphère pendant le fonctionnement normal du moteur, ne subit théori- quement aucune perte : à chaque mouvement de va et vient du couloir, correspond donc seulement la consommation de la cylindrée du cylindre moteur 10 nécessaire au déplacement du couloir.
Par conséquent, tandis que dans les dispositifs, connus, tels que celui représenté sur la fig. 1, on perd à chaque oscillation complète du couloir, à la fois l'air comprimé nécessaire à la propulsion de ce couloir et l'air comprimé servant à la suspension élastique de ce couloir, dans le dispositif faisant l'objet de l'invention bien au contraire, on ne laisse échapper que l'air comprimé néces- saire à la propulsion, la masse d'air servant à la suspension du couloir restant isolée et servant indéfiniment si
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l'appareil était sans fuites.
Les graphiques des fig. de 8 à 10 permettent d'ex- poser de façon plus détaillée les avantages du dispositif précédemment décrit.
Le graphique de la fig. 8 a été établi en portant en abcisses les longueurs du couloir, le poids du couloir chargé étant supposé de 100 kilogs par mètre courant, et ce couloir étant supposé incliné suivant une pente de 15 ; on a porté en ordonnées les travaux en kilogrammètres pro- duits par les diverses forces qui agissent sur le système.
On a obtenu les droites suivantes :
1 8c;travail produit par la composante PH du poids P du couloir et de sa charge de charbon (fig. 6) .
2) Zc+ ZA:travail de la pesanteur plus travail de la pression atmosphérique PA sur la face supérieure du piston d'équilibrage 13 (Comme est constant quelle que soit la longueur du couloir, la droite Zc + ZA est paral- lèle à Zc).
3 Zad: travail de compression adiabatique de la masse d'air isolée 40 sous le piston d'équilibrage 13.
4 Zc+ ZA+ ZM (ZM étant le travail supposé cons- tant et développé par la pression FM de l'air comprimé sur le piston moteur 12).
La différence d'ordonnées entre la droite Zc+ ZA+ ZM et la droite Zad représente l'excès de tra- vail dont on dispose pour vaincre les résistances à la des- cente du couloir, cette descente étant par suite toujours possible tant que la droite Zc + ZA+ZM se trouve au- dessus de la droite Zad d'une quantité supérieure à la somme des travaux développés par les résistances passives à la descente.
Pour régler cet excès de travail disponible pen- dant la descente, il suffira de régler la force motrice fM de l'air comprimé suivant la longueur du couloir de manière que la droite \ + ZA + ZM vienne en
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Z'c + Z'A+Z'M légèrement au-dessus de la droite Zad; par suite des deux droites se trouvent séparées d'une quan- tité qui représente le travail disponible pour vaincre les résistances passives à la descente.
Ce réglage peut être obtenu à volonté en tour- nant plus ou moins le robinet 38 de la canalisation 24' ; on règle ainsi à volonté la force motrice FM qui agit sur le piston moteur 12.
On remarque aussi sur le graphique de la fig. 8 que la différence d'ordonnées entre la droite Zadet la droite Zc + Za représente l'excès de puissance due à la détente adiabatique pour vaincre les résistances à la mon- tée du couloir. Ces résistances sont considérables car elles comportent en particulier les résistances de frotte- ment pendant le glissement de la masse de charbon sur le fond du couloir ; ces résistances sont proportionnelles à la longueur du couloir.
On voit donc qu'il est très heureux que la droite ad se relève plus vite que la droite Zc + ZA la diffé- rence des ordonnées entre les deux droites étant elle aussi proportionnelle à la longueur du couloir.
Le graphique de la fig. 8 permet de lire immé- diatement l'économie d'air comprimé obtenue à l'aide du dispositif précédemment décrit: On lit en effet sur ce graphique que pour une longueur de soixante mètres de cou- loir, le travail de la pesanteur est d'environ cent quatre vingt kilogs et celui des résistances passives de soixante douze kilogs.
Le travail que devra fournir un moteur du type ordinaire sera de cent quatre vingt plus soixante douze égal deux cent cinquante deux kilogrammes et celui du modèle conforme à l'invention soixante douze kilogrammes (il a à vaincre les résistances seules). La consommation d'air comprimé étant proportionnelle à la puissance développes, le nouveau moteur sera 252 = 3,5 fois plus économique.
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Dans la pratique, si le moteur type actuel n'est pas à simple effet et s'il ne travaille pas exactement dans les conditions d'économie rappelées au début, le rapport des consommations peut s'élever à cinq ou à six.
Il résulte aussi du graphique de la fig. 8 qu'il suffit, dans le calcul du moteur, de déterminer la longueur de la course et par suite le taux de compression correspon- dant pour que la somme des travaux fournis par :
1 l'air comprimé travaillant sur la face supérieure du piston moteur 12 ;
2 le couloir 1 (travail de pesanteur) ;
3 la pression atmosphérique agissant sur la face supérieure du piston d'équilibrage 13; soit supérieure au travail de compression adiabatique de la masse d'air isolée 40 formant matelas pneumatique et des résistances passives.
Dans les exemples précédents on a supposé que l'on réglait l'effort moteur en ouvrant de la quantité juste nécessaire le robinet 38 ; si par inadvertance on ouvre en grand ce robinet admettant un excès d'air moteur, la puissance développée en excès sera vite absorbée par un faible allongement de la course du piston et il n'y aura aucun choc ni fatigue du moteur.
Le graphique de la fig. 9 permet de se rendre compte de cet avantage. Ce graphique représente en fonc- tion de la course du moteur la variation des travaux Za a (travail de la pression, atmosphérique) Za + ZM ( ZM étant le travail du piston moteur) et de &ad (travail de compres- sion adiabatique de la masse d'air isolée 40) ; ce graphi- que a été tracé en se plaçant dans le cas le plus défavora- ble celui de la charge nulle, car dans ce cas la pression initiale de la masse d'air isolée 40 est à peine supé- rieure à la pression atmosphérique.
On remarque aisément sur ce graphique que la courbe Z monte très rapidement sur le haut et coupe la ad
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droite ZA + ZM au point correspondant à une course de dix neuf centimètres environ du moteur ; si la charge du couloir augmente la longueur de la course diminue progrès-' sivement et se trouve ramenée à douze centimètres lorsqu'on a une longueur deoouloir de soixante mètres (fig. 10).
Le moteur tel qu'il est représenté sur les fig. de 2 à 7 a une course fixe. Or il y a intérêt à réaliser un moteur dont la course soit variable à volonté : en effet il y a avantage à ce que un même moteur puisse s'adapter à des couloirs d'inclinaisons très différentes : or le fonc- tionnement d'un couloir à forte inclinaison nécessite des secousses rapides et de faibles amplitudes, c'est-à-dire un moteur à course très réduite, tandis qu'un.couloir à faible inclinaison fonctionne avantageusement avec des secous- ses lentes et à grandes amplitudes, c'est-à-dire avec un mo- teur à course très longue.
La présente invention s'étend aussi à des disposi- tifs permettant d'obtenir une variation automatique de la course du moteur. Cette variante de l'invention est caracté- risée par ce que le piston d'équilibrage est combiné avec une masselotte qui se déplace par inertie et commande la distribution du piston moteur lorsque le piston d'équilibra- ge s'arrête sous la réaction de la masse d'air 40 isolée et comprimée adiabatiquement .
Un mode de réalisation de cette variante est re- présenté sur les fig. de 11 à 13. Ce dispositif comporte une masselotte-'affectant la forme d'un tiroir cylindrique équilibré ' 50 qui coulisse dans une enveloppe 51 fixée sur le piston d'équilibrage 13.
La tige 52 de ce tiroir traverse l'enveloppe 51 et se termine à l'extérieur par un étrier 53 dans le- quel est engagé un coin 54 à deux faces inclinées 541,542; un ressort à lame 55 fixé en 56 sur l'enveloppe 51 s'engage à son extrémité libre dans une échancrure 57 du coin 54.
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Le coin 54 peut venir en prise avec une butée 64 fixée dans le cylindre moteur 10.
Le tiroir 50 commande deux conduits 60,61 qui débouchent l'un dans la chambre de la masse d'air iso- lée 40, l'autre dans l'espace libre compris entre les deux pistons 12, 13, espace où règne la pression atmos- phérique.
Un conduit 66 débouche dans l'espace libre 67 ménagé entre les deux faces du tiroir et est relié par l'in- termédiaire d'un flexible 68 à un tiroir principal 70 réglant la distribution de l'air comprimé dans le cylindre moteur 10. Ce tiroir est un tiroir cylindrique à double piston 701, 702 sollicité par un ressort de rappel 71 et commandant un orifice 72 d'admission d'air comprimé; un orifice 73 d'échappement et un orifice 74 qui débou- che dans le cylindre moteur 10.
Le dispositif ci-dessus décrit fonctionne de la manière suivante' :Dans une position initiale le couloir 1 est à sa position haute, ainsi que les pistons 12 et 13: la masselotte 50 occupe la position indiquée sur la fig.
12. La pression de la masse d'air comprimé 40 s'exerce par le conduit 60, la chambre 67 et le conduit 66,68 sur la face supérieure 701 du tiroir 70. Ce tiroir se déplace donc suivant 75 dans son logement cylindrique en comprimant le ressort de rappel 71 et en faisant commu- niquer 72 et 74, ce qui assure l'admission de l'air comprimé de la conduite 241 sur le piston moteur 12.
Ce piston moteur se déplace donc suivant 76, ce qui dé- termine le mouvement de descente du couloir, comme il a été expliqué en détail dans le cas de l'appareil des fig. de 2 à 7.
La masse d'air isolée 40 se comprime adiabati- quement et sa pression prend une valeur,telle qu'elle arrête la descente de l'ensemble des deux pistons 12, 13 et du
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couloir 1. A ce moment la masselotte 50, par suite de son inertie, se déplace suivant 77 dans l'enveloppe 51, ferme le conduit 60 et ouvre le conduit 61. Ce mouve- ment n'est pas gêné par le coin 54 maintenu abaissé par le ressort à lame 55 qui sollicite constamment ce coin vers le bas comme indiqué sur la fig. 13.
L'espace libre
67, le conduit 66, 68 et la chambre supérieure 78 du tiroir 70 sont donc mis en communication avec l'atmopshè- re; la tension du ressort 71 devient donc suffisante pour chasser le tiroir 70 en sens inverse de 75 et amener en communication les orifices 74, 73 : le cylindre moteur
10 est mis à l'échappement : la masse d'air 40 isolée et comprimée se détend brusquement et ramène, en sens inverse 'de 76, l'ensemble des deux pistons 12, 13 et du couloir
1 à leurs positions hautes.
La masselotte 50 et son coin 54 participent à ce mouvement en sens inverse de 76 ; en fin de course, le coin 54 vient heurter, par sa face inclinée 542, la butée fixe 64 (fig. 13) ; ce coin coulisse donc vertica- lement suivant 79 dans l'étrier 53 et fait coulisser la masselotte 50 en sens inverse de 77 : cette masse- lotte revient ainsi automatiquement occuper la position indiquée sur la fig. 12 et assurer à nouveau l'action de la pression de la masse d'air isolée 40 sur le tiroir 701
702 . une nouvelle admission d'air comprimé se produit dans le cylindre moteur 10, et le cycle de mouvements précé- demment décrit recommence.
On' remarque que dans le dispositif ci-dessus décrit la distribution d'air comprimé au cylindre moteur
10 dépend de la réaction de la masse d'air isolée 40 formant matelas pneumatique ; par conséquent la longueur do course du moteur variera avec la charge ; pour une longueur donnée de couloir la course sera plus courte (dix à douze centimètres) si l'inclinaison de ce couloir augmente et s'allongera au contraire jusqu'à vingt à vingt
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cinq centimètres si la pente du couloir est faible. Autre- ment dit le dispositif faisant l'objet de l'invention per- met au couloir de réaliser de lui-même la condition optima de propulsion du charbon : oscillations courtes et rapides pour les fortes pentes;oscillations allongées et lentes pour les faibles pentes.
Ces résultats sont mis en évidence par les graphi- ques des fig. 14 et 15. Le graphique de la fig. 14 repré- sente identiquement le graphique de la fig. 9 sur lequel on a porté la droite Z'a + Z'M dans le cas où la distri- bution du moteur est'commandé par masselotte. On voit sur ce graphique la course théorique pour une pente nulle, si on néglige les résistances passives, s'allonger jusqu'à vingt quatre centimètres.
Le graphique de la fig. 15 et celui de la fig.
10 sur lequel on a porté la droite Z'a + ce 0 + Z'M représentent la somme des travaux de la pression atmosphé- rique sur la face du grand piston, de la pesanteur et du moteur dont la distribution est commandée par la masselotte; cette droite est tracée en supposant la charge maximum et la pente du couloir de 15 . On voit que cette droite coupe la courbe Zad au même point que la droite Za+ Za+ ZM sur l'ordonnée correspondant à une course du moteur de douze centimètres. On voit donc que pour la charge maximum et pour la pente indiquée la course sera la même quel que soit le système de distribution. Mais si la pente diminue de 15 à 0 la course du moteur dont la distribution est commandée par masselotte s'allonge progressivement de douze à vingt quatre centimètres.
L'invention a été décrite en la supposant appliquée à un moteur destiné à/la commande d'un couloir oscillant de mine. Toutefois l'invention s'étend à certains dispositifs décrits quelles que soient leurs applications particulières; par exemple l'invention s'étend d'une façon générale au dispositif de distribution du cylindre moteur 10 des fig.
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2 et 3, c'est-à-dire à un mode de distribution de fluide dans un cylindre moteur, caractérisé par ce que le piston entraîne lui-même l'organe de distribution et le fait pas- ser dela position d'admission à la position d'échappement et vice versa.
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Improvements made to motors for oscillating corridors or. other applications.
In general, for the descent of the coals, inclined corridors 1 (fig. 1) are used in mines for the descent of the coals, suspended from chains 2; these corridors are animated by back and forth movements along 3 and in the opposite direction by a compressed air motor 4. Air is admitted into the chamber 5 of this motor, which determines the rise of the following lane 3; then the compressed air is released from chamber 5
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and the corridor returns in the opposite direction of 3 under the action of gravity. The corridor thus takes a jerky movement, the rise of the corridor being faster than the descent, which produces the intermittent progression of coal in the direction of gravity.
The exhaust, before the end of the downward movement, is plugged sufficiently early so that the air, under the rear face of the piston, is brought to the inlet pressure when the latter begins. In this way, there is no need to take into account the still considerable dead space which must be left behind the piston in order to create an air cushion. The consumption of compressed air is strictly limited to the volume generated by the displacement of the piston.
Nevertheless, under these conditions, which are the most favorable, we see that the compressed air which was used to go up the corridor is allowed to escape at each stroke.
This results in a high consumption of compressed air.
The object of the present invention is to improve these known devices, by reducing the consumption of compressed air as much as possible; furthermore, as explained below, its aim is to improve the efficiency of these motors, in particular by avoiding energy losses by transmission of heat from the working air masses to the external environment.
An engine according to the invention for oscillating corridors or other similar applications is characterized by the combination of a driving piston and of a balancing piston, on which is maintained an isolated air mass, whose pressure at rest statically balances the corridor, and ensures its air suspension and whose adiabatic compression during the downward movement of the corridor provides the energy necessary to overcome the work of the gravity of the corridor and the passive resistances during the movement climb of this corridor.
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The invention also extends to numerous other characteristics described below and to their various combinations.
Various devices in accordance with the invention are shown by way of example in the accompanying drawings in which:
Fig. 2 is a longitudinal section of an engine according to the inventi on;
Fig. 3 is a cross section of this motor taken along the broken line 3-3-3-3 of FIG. 2;
Figs. 4 and 5 are two longitudinal sections of the engine in two different positions;
Fig. 6 is a schematic sectional view of the entire installation showing the various forces requesting the system;
Fig. 7 is a partial longitudinal section of the engine in another operating position;
Figs. 8, 9 and 10 are explanatory graphics;
Fig. 11 is an axial longitudinal section of a variant of the invention;
Fig. 12 is a cross-section on a larger scale of the device for distributing compressed air to the driving piston (in this view it has been assumed for the simplicity of the drawing that we had compared this distribution device, the mechanism, of the flyweight who commands it);
Fig. 13 is a partial detail view of this weight in a particular position;
Figs. 14 and 15 show two diagrams corresponding to the machine of FIGS. from 11 to 13.
The motor shown in fig. 2 and 3 comprises an engine cylinder 10 and a balancing cylinder 11 of larger diameter than that of the engine cylinder. Two pistons 12 and 13, one motor and the other for balancing, slide respectively in these two cylinders and are connected to each other by a rod 14; this rod is
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itself articulated at 15 to the actuating rod of the corridor.
The piston 13 carries a counter rod 16 which slides in a cylindrical drawer 17, this slide being thus interposed between two flanges 18, 19 integral with this counter rod.
The cylindrical spool 17 controls a narrow orifice 20 which opens into a pipe 24 of compressed air at 4 kilograms effective for example; this pipe is controlled by an air supply valve 21; a valve 22 is arranged in the pipe 24 and opposes any return of air in this pipe.
A triangular orifice 25 is formed in the balancing cylinder 11 and opens freely into the atmosphere for the purpose explained below.
The engine cylinder 10 has an orifice 28 for the intake of compressed air which opens into a branch 241 of the pipe 24 and an exhaust orifice 29 with a very wide cross section which opens freely into the atmosphere; a tap 38 controls the branch 241.
A liner 30 can slide freely in the engine cylinder 10 and has an orifice 31 which can match one or the other of the orifices 28 and 29.
Springs 341 and 342 are arranged in recesses 351, 352, of the liner 30 and can either protrude inside the liner 30, or on the contrary sink into the grooves 361, 362 of the cylinder 10: lesfig. 2 and 3 show the spring 341 projecting inside the sleeve 30, while the spring 342. is hidden in the groove 362 of the cylinder 10.
The motor described above operates as follows. In a position at rest, the balancing piston 13 and the cylindrical slide 17 occupy
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the positions indicated in fig. 4, this drawer leaving the narrow orifice 20 for the compressed air intake free.
The compressed air from the pipe 24 expands through the narrow orifice 20 in which it expands; the chamber 40 is thus filled with air, the pressure of which increases little by little until so that the thrust exerted by this mass of air on the face 131 of the piston 13 balances the sum of the forces due to the component following the slope of the weight of the corridor and of the coal it carries and to the pressure exerted by the atmosphere on the face 132 of this piston.
As soon as the thrust exerted by the air mass 40 becomes predominant, the piston 13 moves along 41 (fig. 4), driving with it the motor piston 12 and the corridor 1.
At the end of this movement the counter rod 16 engages via its flange 19 with the slide 17 and drives this next slide 41, so that the orifice 20 for the compressed air intake is closed.
From this moment an air mass 40 is completely isolated between the face 131 of the balancing piston and the bottom of the cylinder 11; it thus constitutes an elastic mattress ensuring the pneumatic suspension of the corridor.
To set this perfectly balanced set in motion, a very low effort will suffice. This is the work that the single-acting engine piston 12 will have to perform, the compressed air acting at full intake on its upper face.
This movement occurs in the following way:
First of all, the corridor is assumed to be mounted in its upper position and the various engine components occupy the positions shown in FIG. 5, the orifice 31 of the liner 30 coincides with the orifice 28 of the engine cylinder 10; this shirt is also kept in position
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by the spring 341 engaged in the groove 361 of the cylinder 10. The valve 38 is open, so that the compressed air from the pipe 241 passes through the orifices 28 and 31 and pushes the following motor piston 12 back. 45.
The entire device is then subjected to the following forces: first the component along the slope Ph of the weight P of the corridor 1 (fig. 6), the driving force FM which is exerted on the driving piston 12 and the thrust PA due to atmospheric pressure and exerted on the piston 13 are added to move the set of the two pistons 12, 13, according to 45.
On the other hand, the air mass 40 isolated under the piston 13 exerts a pressure on this piston which tends to oppose the movement of this next piston 45.
The sum of the first three forces, being predominant the pistons 12 and 13 move along 45 and compress the air mass 40; as this compression is practically very rapid and as the contact surface of the walls of the balancing cylinder 11 is small, the compression of this mass is approximately adiabatic.
The compressed air intake continues until the piston 12 comes to occupy the position 121 (fig. 5) and hits the stop spring 342: the sleeve 30 thus becomes integral with the piston 12, and moves. with him following 45; consequently the orifice 31 ceases to coincide with 28: the compressed air intake is cut off and the orifice 31 coincides with the orifice 29, (fig. 7) which determines the exhaust of the The driving air above the piston 12. At the same time the spring 342 engages in the notch 362 and immobilizes the liner 30 in its exhaust position.
At this moment the isolated air mass 40, which was compressed adiabatically during the downward movement of the corridor and thus stored a certain energy, is
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suddenly relaxes and pushes back all of the pistons 12 and 13 in the opposite direction of 45, which determines the rise of lane 1.
At the end of this movement the piston 12 strikes the stop spring 341 oorame it is indicated in fig.
2 and returns the liner 30 to its initial position (fig. 5) that is to say in a position such that the orifices 31 and 28 coincide and ensure a new intake of compressed air into the engine cylinder 10: the cycle of the previous movements begins again.
Oscillations are thus imparted to the corridor in which the downward movement of the corridor takes place quite slowly, while the relaxation of the isolated air mass 40 is very sudden and ensures a sudden rise in the corridor; because the engine air escapes very quickly through the large orifice 29; the conditions of this movement are thus very favorable to the regular descent of the coal in the corridor.
The driving force exerted on the driving piston 12 and consequently the characteristics of the oscillation movement of the system can be adjusted at will by turning the valve 38 more or less, so as to adjust the movement of the system at will. oscillation that the system takes depending on the length and load of the corridor to be operated.
If an excess of compressed air is isolated at 40, the piston 13 by moving in the opposite direction of 45 discovers the orifice 25, so that the excess air of this mass 40 escapes at the atmosphere.
If, on the contrary, the load of the corridor is too considerable for the isolated air mass 40, the downward stroke of the piston 13 following 45 lengthens; the spool 17 is pushed back by the piston 13 and uncovers the orifice 20, thus allowing additional compressed air to enter from the line 24.
If the corridor load is such that the pressure
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of the mass of air 40 is, at the end of the stroke, greater than that of the duct 24, any return of air in this duct 24 is prevented by the valve 22 until, the piston 13 moving again in the reverse direction of 45, the pressure of the air mass 40 becomes lower than the pressure of the air line 24, which determines the admission of an additional quantity of air. These additional quantities of air compensate for the inevitable leaks on the periphery of the piston 13,
The device described above ensures the pneumatic and automatic suspension of the corridor at rest regardless of its load.
We notice in fact in FIG. 4 that the compressed air which leaves the pipe 24 through the narrow orifice 20, is established at 40 at a pressure which increases progressively until this pressure becomes. sufficient to move the balancing piston 13 along 41; one thus obtains an automatic adjustment of the pressure of the air mass 40 according to the own weight of the corridor and of its load.
The mass of air 40 balancing the weight of the corridor and constantly isolated from the pipe and from the atmosphere during normal operation of the engine, theoretically undergoes no loss: with each movement back and forth in the corridor, therefore only corresponds the consumption of the displacement of the engine cylinder 10 necessary for moving the corridor.
Therefore, while in known devices, such as that shown in FIG. 1, at each complete oscillation of the corridor, both the compressed air necessary for the propulsion of this corridor and the compressed air serving for the elastic suspension of this corridor are lost in the device which is the subject of the invention on the contrary, only the compressed air necessary for propulsion is allowed to escape, the air mass serving for the suspension of the corridor remaining isolated and serving indefinitely if
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the device was leak-free.
The graphics in fig. from 8 to 10 allow the advantages of the device described above to be explained in more detail.
The graph of fig. 8 was established by plotting the lengths of the corridor in abscissa, the weight of the loaded corridor being assumed to be 100 kilograms per running meter, and this corridor being assumed to be inclined at a slope of 15; the work in kilogrammeters produced by the various forces acting on the system has been placed on the ordinate.
We obtained the following lines:
18c, work produced by the component PH of the weight P of the corridor and its load of coal (fig. 6).
2) Zc + ZA: work of gravity plus work of atmospheric pressure PA on the upper face of the balancing piston 13 (As is constant whatever the length of the corridor, the line Zc + ZA is parallel to Zc) .
3 Zad: adiabatic compression work of the isolated air mass 40 under the balancing piston 13.
4 Zc + ZA + ZM (ZM being the work assumed to be constant and developed by the pressure FM of the compressed air on the motor piston 12).
The difference in ordinates between the line Zc + ZA + ZM and the line Zad represents the excess work available to overcome the resistance to the descent of the corridor, this descent being therefore always possible as long as the line Zc + ZA + ZM is above the line Zad by a quantity greater than the sum of the works developed by the passive resistances to the descent.
To adjust this excess of work available during the descent, it will suffice to adjust the driving force fM of the compressed air along the length of the corridor so that the straight line \ + ZA + ZM comes in
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Z'c + Z'A + Z'M slightly above the right Zad; as a result of the two lines are separated by a quantity which represents the work available to overcome the passive resistances to the descent.
This adjustment can be obtained at will by turning the tap 38 of the pipe 24 'more or less; the driving force FM which acts on the driving piston 12 is thus adjusted at will.
We also note on the graph of FIG. 8 that the ordinate difference between the line Zad and the line Zc + Za represents the excess of power due to the adiabatic expansion to overcome the resistance to the rise of the corridor. These resistances are considerable because they comprise in particular the frictional resistances during the sliding of the mass of coal on the bottom of the corridor; these resistances are proportional to the length of the corridor.
We therefore see that it is very fortunate that the line ad rises faster than the line Zc + ZA, the difference in the ordinates between the two lines being also proportional to the length of the corridor.
The graph of fig. 8 makes it possible to immediately read the compressed air savings obtained with the aid of the device described above: In fact, we read on this graph that for a length of sixty meters of corridor, the work of gravity is d 'approximately one hundred and eighty kilograms and that of the passive resistances of seventy two kilograms.
The work that an engine of the ordinary type will have to provide will be one hundred and eighty plus seventy-two equal two hundred and fifty-two kilograms and that of the model according to the invention seventy-two kilograms (it has to overcome the resistances alone). The compressed air consumption being proportional to the power developed, the new engine will be 252 = 3.5 times more economical.
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In practice, if the current type engine is not single-acting and if it does not work exactly under the economy conditions mentioned at the start, the consumption ratio can be five or six.
It also results from the graph of FIG. 8 that it suffices, in the engine calculation, to determine the length of the stroke and therefore the corresponding compression ratio so that the sum of the work provided by:
1 the compressed air working on the upper face of the motor piston 12;
2 corridor 1 (work of gravity);
3 atmospheric pressure acting on the upper face of the balancing piston 13; or greater than the work of adiabatic compression of the isolated air mass 40 forming an air mattress and the passive resistors.
In the previous examples, it was assumed that the motor force was adjusted by opening the valve 38 to the quantity just necessary; if this valve is inadvertently opened, admitting an excess of engine air, the power developed in excess will quickly be absorbed by a slight lengthening of the piston stroke and there will be no shock or engine fatigue.
The graph of fig. 9 makes it possible to realize this advantage. This graph represents as a function of the stroke of the engine the variation of the work Za a (work of the pressure, atmospheric) Za + ZM (ZM being the work of the motor piston) and of & ad (work of adiabatic compression of the isolated air mass 40); this graph has been drawn with the worst case being zero charge, since in this case the initial pressure of the isolated air mass 40 is barely greater than atmospheric pressure.
We can easily see on this graph that the Z curve rises very quickly to the top and cuts the ad
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straight line ZA + ZM at the point corresponding to a stroke of approximately nineteen centimeters of the motor; if the load of the corridor increases the length of the run progressively diminishes and is reduced to twelve centimeters when the length of the aisle is sixty meters (fig. 10).
The motor as shown in FIGS. from 2 to 7 has a fixed stroke. However, it is in the interest of producing an engine whose stroke is variable at will: in fact, it is advantageous for the same engine to be able to adapt to corridors of very different inclinations: or the operation of a high-incline corridor requires rapid jerks and low amplitudes, i.e. a motor with very short stroke, while a low-incline lane works advantageously with slow jolts and large amplitudes, c 'that is to say with a very long stroke engine.
The present invention also extends to devices making it possible to obtain an automatic variation of the stroke of the motor. This variant of the invention is characterized in that the balancing piston is combined with a weight which moves by inertia and controls the distribution of the driving piston when the balancing piston stops under the reaction of the mass of air 40 isolated and compressed adiabatically.
An embodiment of this variant is shown in FIGS. from 11 to 13. This device comprises a weight-'affecting the shape of a balanced cylindrical spool' 50 which slides in a casing 51 fixed on the balancing piston 13.
The rod 52 of this drawer passes through the casing 51 and ends on the outside with a stirrup 53 in which is engaged a wedge 54 with two inclined faces 541, 542; a leaf spring 55 fixed at 56 on the casing 51 engages at its free end in a notch 57 of the corner 54.
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The wedge 54 can engage with a stop 64 fixed in the engine cylinder 10.
The spool 50 controls two ducts 60, 61 which open, one into the chamber of the isolated air mass 40, the other into the free space between the two pistons 12, 13, the space where the pressure prevails. atmospheric.
A duct 66 opens into the free space 67 formed between the two faces of the slide and is connected by means of a flexible 68 to a main slide 70 regulating the distribution of the compressed air in the engine cylinder 10. This slide is a cylindrical slide with double piston 701, 702 biased by a return spring 71 and controlling a compressed air inlet 72; an exhaust port 73 and an orifice 74 which opens into the engine cylinder 10.
The device described above operates as follows: In an initial position, the passage 1 is in its high position, as are the pistons 12 and 13: the weight 50 occupies the position indicated in FIG.
12. The pressure of the mass of compressed air 40 is exerted by the duct 60, the chamber 67 and the duct 66,68 on the upper face 701 of the drawer 70. This drawer therefore moves along 75 in its cylindrical housing in compressing the return spring 71 and causing 72 and 74 to communicate, which ensures the admission of the compressed air from the line 241 to the driving piston 12.
This motor piston therefore moves along 76, which determines the downward movement of the corridor, as has been explained in detail in the case of the apparatus of FIGS. from 2 to 7.
The isolated air mass 40 compresses adiabatically and its pressure assumes a value such that it stops the descent of the assembly of the two pistons 12, 13 and of the
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corridor 1. At this moment the weight 50, due to its inertia, moves along 77 in the casing 51, closes the duct 60 and opens the duct 61. This movement is not hampered by the wedge 54 maintained. lowered by the leaf spring 55 which constantly urges this wedge downwards as shown in fig. 13.
Free space
67, the duct 66, 68 and the upper chamber 78 of the drawer 70 are therefore placed in communication with the atmosphere; the tension of the spring 71 therefore becomes sufficient to drive out the spool 70 in the opposite direction to 75 and bring the orifices 74, 73 into communication: the engine cylinder
10 is exhausted: the isolated and compressed air mass 40 suddenly relaxes and brings back, in the opposite direction 'from 76, the set of the two pistons 12, 13 and the corridor
1 to their high positions.
The weight 50 and its wedge 54 participate in this movement in the opposite direction of 76; at the end of its travel, the wedge 54 strikes, by its inclined face 542, the fixed stop 64 (fig. 13); this wedge therefore slides vertically along 79 in the caliper 53 and causes the weight 50 to slide in the opposite direction to 77: this mass-monkfish thus automatically returns to occupy the position indicated in FIG. 12 and again ensure the action of the pressure of the isolated air mass 40 on the spool 701
702. a new intake of compressed air occurs in the engine cylinder 10, and the cycle of movements described above begins again.
Note that in the device above describes the distribution of compressed air to the engine cylinder
10 depends on the reaction of the isolated air mass 40 forming an air mattress; therefore the motor stroke length will vary with the load; for a given length of corridor the race will be shorter (ten to twelve centimeters) if the slope of this corridor increases and will lengthen on the contrary up to twenty to twenty
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five centimeters if the slope of the corridor is low. In other words, the device which is the subject of the invention enables the corridor to achieve by itself the optimum condition for propulsion of the coal: short and rapid oscillations for strong slopes; long and slow oscillations for weak slopes. .
These results are evidenced by the graphs in fig. 14 and 15. The graph of FIG. 14 identically represents the graph of FIG. 9 on which the straight line Z'a + Z'M has been brought in the case where the distribution of the engine is controlled by weight. We see on this graph the theoretical course for a zero slope, if we neglect the passive resistances, lengthen up to twenty four centimeters.
The graph of fig. 15 and that of FIG.
10 on which we have plotted the straight line Z'a + ce 0 + Z'M represent the sum of the work of atmospheric pressure on the face of the large piston, of gravity and of the motor whose distribution is controlled by the weight ; this line is drawn assuming the maximum load and the slope of the corridor of 15. We see that this line intersects the curve Zad at the same point as the line Za + Za + ZM on the ordinate corresponding to a stroke of the motor of twelve centimeters. It can therefore be seen that for the maximum load and for the slope indicated, the stroke will be the same whatever the distribution system. But if the slope decreases from 15 to 0, the stroke of the engine, the distribution of which is controlled by a weight, progressively lengthens from twelve to twenty-four centimeters.
The invention has been described supposing it to be applied to a motor intended for / controlling an oscillating mine corridor. However, the invention extends to certain devices described whatever their particular applications; for example the invention extends generally to the distribution device of the engine cylinder 10 of FIGS.
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2 and 3, that is to say a method of distributing fluid in an engine cylinder, characterized in that the piston itself drives the distribution member and causes it to pass from the intake position to the exhaust position and vice versa.