Appareil pour la production de vibrations soniques La présente invention a pour objet un appareil pour la production de vibrations soniques compre nant un rotor destiné à se déplacer sur une orbite fermée, des moyens pour guider le rotor au cours de ce déplacement de façon qu'il reste en contact permanent -avec une surface d'un organe intermé diaire de transmission des vibrations, de façon à mettre ledit organe en vibration, et un dispositif d'entraînement du rotor.
Les vibrations soniques de forte puissance ont trouvé un très grand nombre d'applications indus, trielles. On sait, par exemple, qu'on peut appliquer une énergie sonique intense à des gaz, des liquides ou des solides, pour produire certains effets -désirés d'ordre chimique ou physique. De nombreux types d'outils ou autres équipements, peuvent être action- nés par de l'énergie sonique d'intensité élevée.
Un exemple de cette application, comprend une barre élastique allongée, dans laquelle on établit et entre tient une onde stationnaire longitudinale de réso nance, de sorte qu'à une extrémité de cette barre s'établit un ventre de vitesses de cette onde station naire, cette extrémité servant à ,faire vibrer un foret ou autre outil,
appliqué contre une pièce à usiner. Une telle résonance longitudinale trouve une autre application particulièrement utile dans la produc tion de ce type de vibrations dans les masses servant à l'enfoncement vibratoire, par ondes de résonance, des pieux de fondation utilisés pour soutenir les immeubles et autres.
Les dispositifs à faire vibrer soniquement à la résonance, sont souvent caractérisés par une impé dance acoustique élevée, cette impédance étant pro- portionnelle au quotient de la force par 1a vitesse. Ils vibrent avec une grande force et avec une faible amplitude de vitesses.
L'entraînement de ces dispo sitifs, c'est-à-dire la réalisation d'un générateur de vibrations efficace qui leur convienne, pose des pro blèmes souvent très difficiles,
en particulier en rai son du faut que les sources habituelles de puissance pratiquement disponibles fonctionnent .à faible impédance et sont caractérisées par des éléments d'entraînement se déplaçant avec une force relati vement faible mais avec une vitesse appréciable. Les dispositifs ordinaires d'entraînement à faible impé dance, sont incapables d'entraîner des dispositifs à forte impédance,
en raison du désaccord des impé- dances. Le rendement de la transduction (ou trans fert d'énergie) s'avère tout particulièrement faible.
Les générateurs soniques ordinaires, comme par exemple, les barres à magnétostriction, les cristaux, etc., peuvent avoir un déplacement dû à la déforma- tion élastique de quelques décimètres par seconde seulement, en raison des restrictions imposées par les limites de déformation élastique.
Le demandeur a constaté qu'un tel déplacement est tout à fait impropres à l'application de puissance élevées.
On connaît des générateurs mécaniques possé dant des caractéristiques de déplacements voulues, mais ils ont l'inconvénient d'être complexes, ce qui entraîne un grand nombre de problèmes à résoudre. Toute complication des pièces mobiles a pour effet de donner naissance à des interactions vibratoires diverses entre ces pièces, aux fréquences élevées, ce qui a pour conséquence une grande perte d'éner gie et, fréquemment, la destruction de pièces dans le cas d'application d'efforts importants.
Aux fréquences très élevées, les engrenages se mettent à brouter, les cages des roulements grip pent et se brisent, et chacune des billes ou galets individuels des roulements doit alors tourner si vite que son mouvement devient instable. Les paliers à coussinets grippent et s'échauffent anormalement. La puissance des générateurs connus jusqu'à ce jour s'est avérée assez faible,
notamment aux hautes fréquences et ces générateurs n'ont pas la robus tesse qu'on exige d'une machine industrielle. Il s'ensuit que maints projets d'application de la puis sance sonique ont été contrariés.
La présente invention vise à remédier à ces inconvénients et l'appareil qui en fait l'objet est caractérisé en ce que ledit organe intermédiaire est accouplé à un élément vibrant de sortie, cet élément vibrant ayant une gamme de fréquences de réso nance et étant agencé pour vibrer élaistiquement dans ladite gamme, et en ce que le rotor est entraîné à une fréquence située dans ladite.
gamme voisine d'une fréquence de résonance, le dispositif d'entrai- nement exerçant sur le rotor vibrant une force d'entraînement qui est inférieure à la valeur critique correspondant à l'amplitude maximum de résonance à ladite fréquence,
de façon que le rotor vibrant se mette et reste en synchronisme avec la vibration élastique de l'élément vibrant au-dessous de ladite fréquence pour l'amplitude maximum.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, quatre formes d'exécution de l'appareil faisant l'objet de :l'invention.
La fig. 1 est une coupe longitudinale d'une pré- mière forme d'exécution.
La fig. 2 est une coupe transversale par la ligne 2-2 de la fig. 1.
La fig. 3 est une coupe axiale par la ligne 3-3 de la fig. 2.
La fig.: 4 est une vue schématique illustrant l'action d'une onde stationnaire, caractéristique de l'appareil de la fig. 1.
La fig. 5 est une coupe longitudinale de la seconde forme d'exécution.
La fig. 6 est une coupe transversale par la ligne - 6-6 de la fig. 5. .
Là fig. 7 est une vue, en bout d'une plaque d'entrée d'air de l'appareil de la fig. 5.
Lai fig. 8 est- une vue en élévation d'une plaque d'usure de l'appareil de la fig. 5.
La fig. 9 est une vue en perspective d'un détail de la fig. 5.
La fig. 10 est une vue en élévation, avec coupe longitudinale .partielle, représentant la troisième forme d'exécution.
La fig: 11 est une coupe par la ligne 11-11 de la fig. 10.
La fig. 12 est une vue en élévation latérale, avec coupe axiale longitudinale partielle, de la quatrième forme d'exécution.
La fig. 13 est une coupe par la ligne 13-13 de la fig. 12.
La fig. -14 est une vue en élévation, partiellement en coupe d'un détail de la fig. 12.
Là forme d'exécution des fig. 1 à 4 se rapporte à un appareil destiné à fournir une énergie sonique intense à des liquides ou à des gaz, en vue de pro- luire des effets physiques ou. chimiques voulus. On connaît de nombreuses applications industrielles d'un tel procédé ; elles sont décrites dans les ouvra ges techniques et il n'y a pas lieu de les décrire ci après. .
Le barreau élastique décrit ci-après a la forme d'un tube 20, en acier, porté par des blocs ou manchons espacés 21, en caoutchouc, maintenus par des supports 22 ; ces blocs 21 sont de nature telle qu'ils permettent un degré appréciable de vibration élastique dans toutes les directions dans des plans perpendiculaires à l'axe du tube.
Ce tube ne tourne pas dans son ensemble, mass certaines de ses, parties, situées à une certaine distance du ou des points nodaux d'une onde stationnaire établie dans le tube, effectuent une giration suivant une trajectoire cir culaire, sous l'effet de la flexion élastique de cer taines partie du tube, à partir de la position neutre de ce dernier (fig. 4).
Un tel mouvement circulaire, ou giration, est une forme de vibration harmonique; il peut être considéré comme étant la résultante de deux composantes de vibration harmonique linéaire transversale faisant un angle droit, avec une diffé rence de phase de 900. Les blocs 21 de caoutchouc comprennent des montages souples permettant une telle giration.
Le terme barreau<B> </B> est souvent employé en acoustique lorsqu'il s'agit de la propagation d'ondes élastiques, sans pour cela que lai coupe transversale soit celle d'un barreau, et c'est dans ce sens que le mot sera utilisé ci-après, en comprenant de la sorte, d'une façon générique, des tiges creuses, ou des tuyaux, aussi bien que des tiges pleines, des poutres en I et autre formes.
Le générateur de vibrations, désigné dans son ensemble par 24, comprend un carter cylindri que 25 avec une chambre cylindrique 26 qui est avantageusement (sans que cela soit nécessaire) coaxiale au tube 20. Ce carter 25 présente, d'une seule pièce avec lui, une paroi latérale de fermeture ou fond 25a, fixe, et le côté opposé est muni d'une paroi de fermeture ou fond amovible 27. Un raccord à bride 28 est fixé au fond<I>25a,</I> et il présente un prolongement fileté 29 vissé dans l'extrémité tarau dée correspondante du tube 20.
Un axe central 30 de section transversale circulaire, présentant de préférence une partie centrale convexe 31, en forme de tonneau, et de diamètre réduit à ses extrémi tés 32 qui sont ajustées étroitement dans les fonds 25a et 27. La surface latérale de cet axe 30 constitue un chemin de roulement entouré par un rotor ou un galet à inertie en forme de bague 33 dont la surface interne 34 est cylindrique, lisse, et d'un diamètre notablement supérieur à celui de l'axe 30.
Dans certaines applications, la surface extérieure de la bague 33 présente un léger jeu par rapport à, la surface interne de la cavité 26 quand cette bague repose sur l'axe 30, ou qu'elle tourne autour de ce dernier.
La bague à inertie 33 roule sur son axe 30 sous l'effet d'un jet de fluide (air sous pression, vapeur, ou un liquide) indroduit par une buse d'injection 35 ménagée dans le carter 25 tangentiellement au pour tour de la cavité circulaire 26, ce fluide étant amené à la buse 35 par un tuyau souple 36 raccordé à cette buse. Le fluide d'entraînement une fois utilisé peut être évacué de la chambre 26, de toute façon voulue. Dans le cas représenté, il s'échappe dans l'atmosphère par des orifices 37 ménagé dans le fond 27, aussi près que possible du centre de la chambre 26.
Le fluide introduit tangentiellement provoque le roulement de la bague à inertie 33 sur l'axe 30, et la force centrifuge qu'exerce la bague en roulant sur l'axe 30, et qui, de là, est transmise au carter 25, fait fléchir élastiquement l'extrémité voisine du tube 20 et la fait tourner sur une trajectoire circu laire. Comme on l'a fait remarquer plus haut, ce mouvement de l'extrémité du tube est une forme de vibration harmonique équivalente à la résultante de deux vibrations harmoniques linéaires transversa les, en quadrature.
La fig. 4 montre, de façon exagérée, le tube 20 subissant le déplacement élastique giratoire carac téristique d'une onde stationnaire correspondant à la fréquence fondamentale de résonance du tube, pour des ondes élastiques transversales propagées longitudinalement.
On comprendra, d'après des principes connus, que l'onde stationnaire schématiquement représen tée à la fig. 4, résulte de la transmission le long du tube, à partir du générateur 24, d'ondes de déforma tions élastiques orientées transversalement, qui sont réfléchies à partir de l'extrémité éloignée du tube, et que, par interférence .avec l'onde suivante se pro pageant vers l'avant, l'onde stationnaire s'établit à peu près comme représenté.
On voit qu'il s'établit des points nodaux sur le tube aux points situés environ au quart de sa lon gueur, à partir de chacune de ses extrémités, tandis qu'aux deux extrémités s'établit un ventre de l'onde stationnaire.
La vitesse de rotation de la bague à inertie 33, autour de l'axe 30, est déterminée, dans le premier cas, par le jet fluide qui l'entraîne. Toutefois, le demandeur a constaté que, si l'on fixe la vitesse de .rotation de la bague à un nombre de tours par seconde autour de l'axe 30, voisin de la fréquence de résonance du tube 20, pour le mode de vibrations transversales décrit, rotation ayant pour effet, sur le tube 20 et sur le carter 24 fixé à une extrémité de ce tube, de leur faire décrire des cercles d'amplitude accrue aux ventres de l'onde stationnaire,
la bague 33a, de façon inattendue, fortement tendance à se bloquer à cette fréquence, c'est-à-dire à tourner à un nombre de cycles par seconde égal à la fréquence de résonance du tube 20 et du carter 24. Le deman deur a constaté en outre, que la vitesse de giration de la bague a tendance à être légèrement en retard par rapport à la fréquence de résonance exacte pour laquelle l'amplitude est maximum, ou, en d'autres termes, qu'elle se maintient du côté des faibles valeurs de la courbe de résonance.
Dans ces conditions, toute tendance à l'emballement de la bague sous l'effet d'une augmentation de pression de son jet d'entraînement, est fortement contrecarrée. Le tube mis en vibration effectue un mouvement de giration, c'est-à-dire longitudinal et de rotation, et exerce ainsi une réaction sur la bague à inertie et la maintient ainsi du côté des valeurs inférieures à la fréquence correspondant à l'amplitude maxi mum, ce qui a pour effet d'empêcher ladite bague de s'emballer.
En d'autres termes, sous l'effet de la contrainte imposée par cette réaction de la pièce élastique en vibration de résonance, la fréquence de giration de la bague est maintenue à la fréquence de résonance de la pièce élastique, glissant dans une certaine mesure dans le courant fluide d'entraî nement, le jet de fluide agissant ainsi comme un entraînement du type à glissement.
L'appareil des fig. 1 à 4 est représenté muni de moyens .pour introduire un fluide à une extrémité du tube et l'évacuer par l'autre extrémité. Ainsi, un tube 40 d'entrée raccordé à un canal 41 de la pièce 29, introduit le fluide à utiliser, par une extrémité du tube 20, et un tube de sortie 42, monté sur un bouchon 43 vissé à l'autre extrémité du tube 20, com munique avec ce -dernier par un canal 44 et sert à évacuer le fluide ayant servi. On comprendra que, dans le tube 20, le fluide est soumis à une agitation acoustique.
Les fig. 5 à 9, représentent une autre forme d'exé cution de l'appareil générateur d'onde à rotor orbital, comprenant un rotor cylindrique roulant sur une portée cylindrique, et une série de buses à fluide pour entraîner le rotor.
Un carter cylindrique 44 est monté à la presse dans l'extrémité du tube 20a représenté partielle ment, et correspondant au tube 20 de la fig. 1, et sa paroi extrême ou fond 44a est muni d'un ajutage 44b auquel est raccordé un tuyau souple S d'amenée d'air comprimé. Dans le carter 44; sont montées des plaques : une plaque 45 d'entrée d'air, en contact direct avec le fond 44a, une plaque d'usure 46, une plaque à portée de roulement 47, une seconde plaque d'usure 46a, et, enfin, une plaque extrême 48, ces plaques étant retenues par une rondelle 48a, sur la face postérieure de laquelle s'appuie un flasque 44c réalisé en rabattant l'extrémité du carter 44.
La plaque à portée de roulement 47 est percée en son centre pour former une portée annulaire 47a, et, dans la chambre délimitée par cette portée, est disposé un galet cylindrique 49, étant à remarquer que ladite chambre est délimitée sur les côtés par les deux plaques 46 et 46a. Dans le cas représenté, le dia mètre du galet 49 est un peu supérieur à la moitié du diamètre de la portée 47a, comme on le voit nettement à la fig. 5.
L'air comprimé entrant par l'ajutage 44a pénè tre d'abord dans une chambre 45a dans la face avant de la plaque 45 et, de là, il s'écoule, par une série de canaux divergents<I>45b,</I> dans une série de canaux 45c correspondants, qui, partant des extrémités exté rieures des canaux 45b, s'étendent parallèlement à l'axe du carter 444, traversent les plaques 46, 47 et 46a, et aboutissent à la face adjacente de la, plaque 48.
L'air des canaux 45c est introduit dans la cham bre du rotor par des gorges 47b creusées dans les faces opposées de la plaque 47, et s'étendant des canaux 45c à la portée cylindrique 47a, sur laquelle elles débouchent tangentiellement.
L'air introduit tangentiellement provoque le rou lement du galet 49 autour de la portée 47a, et ce galet exerce une force giratoire sur le carter du générateur. L'air détendu est rejeté dans le tube 20a par des lumières 46b ménagées dans la partie cen trale de la plaque 46a, et par une ouverture centrale 48b de la plaque 48.
Le galet cylindrique et la portée cylindrique des fig. 5 à 9 sont intéressants en raison de leur faible frottement de roulement, et ils conviennent parti culièrement bien aux fréquences relativement éle vées. On peut noter également que la forme cylin- drique du galet ne fait pas dévier l'air sur ses côtés, comme le ferait une bille ordinaire, et que, par suite, il est plus fortement entraîné qu'une bille.
La réaction sur le rotor, signalée, plus haut, qui prend naissance quand le générateur entraîne une charge à la fréquence de résonance, cette charge ayant une plus grande amplitude dans un sens des vibrations (comme par exemple un barreau ayant une giration elliptique, ou un simple barreau à vibrations latérales), se manifeste comme une impul sion périodique yant tendance à accélérer le rotor de façon périodique. Une buse unique d'introduction d'air présente une tendance analogue.
En prévoyant une série de buses d'introduction d'aire réparties autour de la portée de roulement on tend vers le maintien d'une vitesse angulaire uniforme du rotor.
Les fig. 10 et 11 montrent une autre forme d'exé cution de l'appareil appliqué à un ensemble d'entraî nement acoustique de pieux, et qui diffère de la première forme d'exécution des fig. 1 à 4 en ce que le générateur sonique est conçu pour donner nais sance à des vibrations longitudinales dans un barreau élastique, par opposition aux vibrations giratoires transversales de la première forme d'exécution.
A la fig. 10, 50 désigne l'ensemble d'un barreau élastique cylindrique destiné à servir de mandrin d'entraînement d'un pieu, et fait en une substance très élastique comme l'acier. Cet ensemble est monté dans une coquille 51 qui doit être enfoncée dans le sol sous l'effet acoustique du mandrin 50. Cette coquille de pieu 51 est ultérieurement remplie de ciment après qu'on en a retiré le mandrin 50.
Le barreau 50 est élastiquement maintenu, au voisinage de son extrémité supérieure, par un bloc ou manchon 57 en caoutchouc, élastiquement défor- mable porté par une bague 58 de support que pré- sente un bras. qui s'étend latéralement d'un dispo sitif de support désigné dans son ensemble par 59.
Ce dernier peut être fixé à un moyen classique de guidage tel que ceux qui sont utilisés dans les systèmes classiques d'enfoncement de pieux.
Le générateur de vibrations soniques, désigné par 60, comprend un corps cylindrique 61 présentant à son extrémité inférieure un tenon d'accouplement fileté 62 vissé dans une boite 63 taraudée montée à l'extrémité supérieure de la tige 50. L'extrémité supérieure 64, de diamètre réduit, du corps 61 est traversée pair un canal 65 pour le fluide, auquel est accouplé comme indiqué en 66, un tuyau souple 67, alimenté en air sous pression.
Le corps 60 comprend une pièce amovible 60a qui s'applique su restant du corps suivant un plan médian vertical 68, et qui est fixée en position à l'aide de vis, comme représenté à la fig. 11. Une série de chambres cylindriques 69, dont deux sont représentées, sont ménagées dans le corps 60, entre la partie principale de ce corps et la pièce amovible 60a, comme le montre clairement la fig. 10, et des axes 70 traversent ces chambres, et sont montés dans le corps, comme représenté.
Ces axes, dont la partie centrale est avantageusement convexe comme représenté en 71, supportent des bagues à inertie 72 qui sont analogues à celles décrites à propos des fig. 1 à 4, ces bagues 72 étant conçues pour rouler autour des axes. 70, et la force centrifuge appliquée à ces bagues animées d'un mouvement de giration s'exerce sur le carter du générateur, par l'intermédiaire des axes 70.
Le canal de fluide 65 mentionné plus haut, se raccorde tangentiellement .à la cavité supérieure 69 comme représenté, et un canal 74 est dirigé tangen tiellement à la fois à la cavité supérieure 69 et à la cavité inférieure 69, le montage étant tel, toute fois, que le fluide introduit dans les deux cavités tourne dans des sens opposés d'une cavité à l'autre. Une sortie tangentielle 75 est dirigée vers l'extérieur à travers la paroi du corps du générateur, et l'on peut recueillir le fluide évacué dans un tuyau de sortie 76, de position fixe, qui est supporté en dehors du générateur.
Les bagues 72 à inertie, dans les cavités supé rieure et inférieure, sont entraînées en giration autour de leurs axes 70, dans des sens opposés, par le courant d'air sous pression arrivant tangentiel- lement, comme expliqué plus haut. Comme on le comprendra, l'air provenant de la source, est intro- duit tangentiellement à la chambre supérieure 69 ; il y tourbillonne et force la bague 72 à rouler autour de l'axe 70.
Une certaine partie de cet air est cons tamment évacuée tangentiellement par le canal 74 et pénètre dans la chambre inférieure 69, tangen tiellement, tourbillonne dans ladite chambre, dans le sens contraire au tourbillonnement dans la cham bre située immédiatement au-dessus., et provoque, par suite, la giration de la bague inférieure 72 dans le sens opposé à celui de la bague supérieure 72. L'air provenant de la chambre inférieure 69 est aussi constamment évacué tangentiellement, par le canal de sortie 75.
En général, du fluide sous pression circulant successivement dans les chambres 69 provoquerait la giration décrite ci-dessus des bagues à inertie, mais il n'y aurait pas de réglage de lai fréquence, et les rapports de phases entre les deux bagues s'établiraient au hasard.
Cependant, lorsque le cou rant de fluide sous pression entraîne les bagues autour des axes, à un nombre de tours-seconde voisin de la fréquence de résonaince de la tige 50 pour des vibrations élastiques longitudinales, la tige 50, sous l'effet d'une certaine impulsion initiale fournie par le générateur, est soumise au régime de l'onde stationnaire longitudinale de résonance.
La première vibration longitudinale caractéristique qui se produit est, en général celle d'un barreau libre-libre (c'est-à-dire d'un barreau qui n'est pas rigidement fixé à ses extrémités) vibrant à demi longueur d'onde. Avec ce mode de vibrations lon- gitudinales, la région centrale, dans -le .sens, de la longueur du barreau, a tendance à rester à peu près stationnaire, tandis que les deux extrémités du bar reau s'éloignent et se rapprochent alternativement l'une de l'autre.
De la sorte, le barreau subit des allongements et des contractions alternés. On verra que, dès que ce type général de mouvement com mence à s'établir dans la tige 50, le générateur sonique 60 qui est monté à son extrémité supérieure se met à vibrer longitudinalement à la fréquence ee résonance de la tige 50.
Il en résulte que les girations des, bagues d'inertie 72, se synchronisent avec le mouvement longitudinal de Vextrémité supérieure de la tige 50, et, par suite, se synchroni sent entre elles. En d'autres termes, les bagues s'orientent d'elles-mêmes, bien qu'animées de gira tions de sens opposés, de manière à se déplacer sui vant un rapport de phases fournissant de la puis sance, dans le sens de la longueur de la - tige vibrante 50.
En outre, comme les bagues se syn chronisent l'une avec l'autre, et avec le mouve ment de la tige 50, les forces verticales qu'elles exercent, par l'intermédiaire du corps du généra teur, sur l'extrémité supérieure de la tige, se syn chronisent l'une avec l'autre, de telle sorte que les forces s'additionnent dans le sens de la longueur de la tige. Les bagues 72 étant ainsi synchronisées, c'est une force effective maximum qui est appli quée à la tige 50 dans le sens de sa longueur, ce qui a pour effet de mettre cette tige en état vibra toire longitudinal à demi-longueur d'onde et de grande amplitude.
Comme dans le cas des formes d'exécution décri tes plus haut, l'onde stationnaire à fréquence de résonance, qui s'établit dans la tige 50 a pour effet de bloquer les bagues 72 entraînées pair le fluide à la fréquence de résonance, et, ainsi que le deman deur l'a constaté, du côté des valeurs faibles de la courbe de résonance. On empêche ainsi l'emballe- ment des bagues.
On voit que les bagues synchro- nisent leurs mouvements et se synchronisent avec la tige vibrante 50, sous l'effet de la réaction qui leur est transmise de la tige 50.
Les fig. 12 à 14 représentent une quatrième forme d'exécution de l'appareil, dans lequel le géné rateur est actionné par un moteur électrique dont l'arbre est accouplé au rotor.
On augmente, en particulier au démarrage, lai traction entre le rotor et son chemin de roulement, à l'aide de bagues de frottement, ou de forces magnétiques, ou de ces deux moyens à la fois.
La référence 90 désigne un socle, en une subs tance de faible réluctance, comme, par exemple, la fonte ou l'acier. Ce socle 90 présente une semelle 91 fixée sur une fondation non représentée. Le socle supporte, à une extrémité, un moteur électrique 92, dont l'arbre 93 est accouplé à l'extrémité d'un arbre creux 94, disposé à l'extrémité d'un rotor cylindri- que 95, relativement long. Cet arbre creux 94 est plutôt mince et assez flexible, de manière à se prê ter à des flexions élastiques. Le socle 90 comprend un support 96 pour un roulement 97 qui sert de palier à l'extrémité de l'arbre 94 opposée au rotor 95.
Un accouplement entre l'arbre 93 du moteur et l'extrémité voisine de l'arbre 94, est représenté à la fig. 14 et comprend une clavette 98 ayant la forme générale d'un H, et qui s'engage dans des encoches des extrémités des arbres 93 et 94.
Le rotor cylindrique 95 pénètre, avec un certain jeu, comme le montrent les fig. 12 et 13 dans un alésage 99 longitudinal d'une pièce allongée ou bloc 100. La surface intérieure de l'alésage 99 sert de chemin de roulement cylindrique au rotor 95. La pièce 100 a une coupe transversale semi-circulaire prolongée pair une partie rectangulaire qui présente une face supérieure plate 100a à laquelle on peut fixer une charge.
Dans le présent exemple, la charge comprend une cuve 101, dont le fond 102 est fixé, par exemple par une soudure à l'argent, sur la face supérieure de la pièce 100. La face infé rieure de la pièce 100 est munie d'un téton fileté 62A sur lequel on peut visser une boîte d'accouple ment 63A portant un mandrin 50 comme le montre également la fig. 10.
La cuve 101 et le chemin de roulement 99 du rotor, peuvent être pourvus de tous. moyens appro priés de support, non représentés, aptes à supporter ces pièces en obéissant à leur action vibratoire. Etant donné qu'on veut que la masse de la pièce 100, la partie vibrante de la cuve 101, et le mandrin 50, fassent partie d'un système vibratoire en résonance, il faut disposer d'un moyen vibrant élastiquement,
et ce moyen peut comprendre le mandrin 50 vibrant élastiquement. Si l'on n'utilise pas le mandrin 50, l'élasticité de la cuve 101 ou de son contenu peut suffire.
En cours de marche, le rotor 95 roule sur la surface de l'alésage 99 en effectuant un mouvement giratoire. En vue d'améliorer la traction entre le rotor et la surface 99, en particulier pour le démar rage, on place des bagues de frottement, comme indiqué en 104, dans des gorges annulaires 105 ménagées dans l'alésage 99, et, comme représenté, on prévoit également des bagues de frottement 106 placées dans des gorges annulaires 107 du rotor 95.
Ces bagues de frottement peuvent être en liège, en caoutchouc compressible, etc. Elles ne font que légèrement saillie par rapport aux surfaces dans lesquelles elles sont montées et, lorsque .le rotor 95 est en pleine vitesse, la force centrifuge qu'il exerce est suffisante pour que ces bagues de frottement soient repoussées en permettant un contact unique ment métal sur métal, du rotor et de la surface de l'alésage 99.
Ces bagues assurent un frottement de glissement assez élevé pour permettre une bonne traction au démarrage. Elles assurent, par contre, un frottement de roulement insignifiant, particuliè rement quand le rotor a atteint une assez grande vitesse, étant donné que la charge du roulement est supportée surtout par la surface en métal dur du chemin de roulement.
On verra aisément que, dans le cas d'un rotor dont le diamètre est une fraction importante de l'alésage dans lequel il travaille, ce rotor fait plu sieurs tours à l'intérieur de la surface 99 pour cha que révolution de l'arbre d'entraînement. On obtient ainsi une augmentation très avantageuse de la fréquence.
On notera également que l'arbre creux 94, étant mince et légèrement flexible, il fléchit de façon continue lorsque- le rotor - 95 roule sur son chemin de roulement 99, ce qui permet à ce rotor 95 de rou ler en contact avec le chemin 99, tandis que, en même temps, l'extrémité éloignée de l'arbre 94, 1à où elle est supportée par le roulement 96, conserve une position axiale fixe, de sorte qu'il ne se trans met aucune vibration de giration au moteur.
La fréquence de résonance du système entraîné est déterminée par la masse et l'élasticité des pièces en état de vibration, et comprenant la masse et l'élasticité de la pièce 100, de la cuve 101 et de son contenu, ainsi que du mandrin d'entraînement des pieux, ou barreau élastique 50, la résonance étant évidemment atteinte à la fréquence pour laquelle la réactance de - mage est égale, en effet dynami que, à la réactance de raideur élastique.
L'ensem ble est conçu pour que le moteur 92 entraîne le rotor 95, sur le chemin 99,à un nombre de tours par seconde qui est une fréquence située dans la gamme de fréquences de résonance du système à entraîner en vibration.
Quand cette fréquence de résonance est atteinte, le système entraîné réagit, par l'intermédiaire de l'arbre 94, sur le moteur d'entraînement 92, de manière à maintenir sa vitesse du côté des faibles valeurs de la courbe de réso nance, comme expliqué à propos des précédentes formes d'exécution.
Le moteur 92 peut être un moteur à induction dont le rotor peut glisser dans son champ tournant, et qui travaille facilement à la fréquence de résonance du système entraîné. Le rotor 95, en roulant sur la surface 99, met en état de vibration giratoire la pièce 100, la cuve 101 et ;le mandrin 50, mais,. en général, la vibration est plus intense suivant un certain axe.
Chaque point de la pièce 100 décrit un petit cercle, ou une ellipse, en raison de la force centrifuge qui s'exerce sur le chemin de roulement 99 au cours de chaque par cours ou circuit du rotor 95 sur ce chemin. L'am- plitude de cette giration, c'est-à-dire le diamètre du petit cercle, augmente fortement à la fréquence de résonance, et le système se bloque à la résonance, comme expliqué à propos des précédentes formes d'exécution.
Les bagues de frottement participant à la trac tion entre le rotor et son chemin de roulement ont déjà été décrites, et on a montré qu'elles étaient utiles surtout au démarrage. On décrira ci-après un autre moyen pour améliorer la traction. Le socle 90 comprend un anneau magnétique 110 entourant une extrémité du rotor 95, dont il est séparé par un petit intervalle annulaire 110a.
Une tige horizon tale<B>111</B> solidaire par une de ses extrémités, du châssis 90, au voisinage immédiat de l'anneau 110, présente à son extrémité libre un étrier ouvert 112 qui entoure de près la surface externe de lai pièce 100. La tige 111 est entourée par une bobine d'induction 113. Ainsi, un flux magnétique traverse la tige 111 entre l'anneau 110 et les branches d'étrier 112.
Ce flux magnétique s'étend des branches d'étrier 112 jusqu'à la pièce 100, à travers un entrefer étroit ; la pièce 100 doit elle aussi être en une matière de faible réluctance, et elle est normalement en acier dur. Le flux, qui va ainsi des bras d'étrier 112 à la pièce 100, traverse le rotor 95, et retourne fina lement à l'anneau 110 et au socle 90 par l'entre- fer 110a. L'excitation de la bobine 112 a par con séquent pour effet d'attirer le rotor 95 vers la sur face 99 de la pièce 100.
Le rotor se trouve ainsi maintenu en bon contact de frottement avec la sur face 99, et il est bien certain que cela est vrai quelle que soit la position du rotor sur son trajet autour de cette surface. Cet effet de rappel du rotor contre le chemin de roulement, assure une traction appré ciable entre le rotor et sa surface de roulement, ce qui est très avantageux surtout au démarrage. On comprendra que, dans un appareil du type consi déré,
dans lequel a lieu une grande augmentation de fréquence entre le couple d'entraînement et la fréquence de contact de roulement, le rotor ait ten dance à remonter sur le côté du chemin de roule ment, puis à effectuer une giration et à glisser con tre ce chemin, quand on applique initialement la puissance d'entraînement. Les moyens de traction magnétiques décrits plus haut, et qu'on utilise de préférence seulement au démarrage, maintiennent le rotor fermement contre la surface de roulement, et on obtient ainsi la traction d'entraînement qui convient.
Il est en général préférable de n'utiliser le flux magnétique d'augmentation de traction, qu'au moment du démarrage, étant donné que, lors que la machine a atteint une certaine vitesse, la force centrifuge suffit à assurer la traction nécessaire.
Les commutateurs pour enclencher et déclencher les moyens de traction électromagnétiques aux moments opportuns ne sont pas représentés. L'ap pareil représenté par les fig. 12 à 14 est également muni d'un dispositif amortisseur, désigné dans son ensemble par 120, pour empêcher des vibrations nuisibles. Les vibrations de ce genre qui sont prin cipalement à considérer dans le présent appareil, seraient dues à la possibilité pour le rotor de deve nir légèrement déformé, dans son parcours, de telle sorte que les deux extrémités. tournent avec leurs points de contact angulairement décalés.
Ce vacil lement aurait pour effet de faire émettre par la pièce du chemin de roulement une vibration irré gulière dans l'appareil, ce qui est en général un inconvénient.
L'amortisseur représenté comprend deux la mes 115 élastiques relativement souples partant du bloc 100, et dont chacune se termine à son extré mité libre par une grosse masse 116. Les lames 115 peuvent être obtenues en fendant dans le sens de la longueur un barreau ayant la forme générale d'un T et présentant les proportions représentées sur la figure. Dans l'entaille entre les lames 115, on dispose un corps 117 en une substance visqueuse comme le brai, le bitume et autres substances ana logues.
Si la pièce 100 a tendance à vibrer irrégu lièrement, par exemple par suite du fait que le rotor est légèrement déformé par rapport à la sur face de roulement, les lames 115 ont tendance à fléchir, et cette flexion crée un effet de cisaille- ment visqueux dans la substance d'amortisse ment 117. Cet amortissement limite la, flexion des lames et, à son tour, impose une contrainte aux vibrations irrégulières de la pièce 100.
La titulaire a constaté que le dispositif vibra toire entraîné de l'appareil décrit, lorsqu'il vibre dans sa gamme de résonance, et lorsque son ampli tude de vibration est amplifiée par résonance, réagit sur le rotor orbital, pour le contraindre à une pério dicité orbitale qui correspond à sa propre fréquence de résonance. La titulaire a constaté, en outre,
que l'appareil décrit tend de lui-même à fonctionner pour les fréquences inférieures à la fréquence pour l'amplitude de pointe correspondant à la résonance, et, en outre, que l'ensemble de l'appareil : dispositif vibratoire entraâné et rotor orbital, tend à vibrer en synchronisme avec mais légèrement au-dessous de la fréquence pour l'amplitude de pointe corres pondant à la résonance.
Le rotor, en parcourant son orbite est fortement sollicité de produire cette fré- quence, et,, bien qu'il puisse évidemment être entraîné à une vitesse suffisamment élevée pour atteindre un seuil auquel il atteindrait et dépasse rait cette fréquence de résonance, il faut augmen ter considérablement l'effort d'entraînement avant que n'apparaisse cette condition indésirable. A ce propos,
il faut bien comprendre que l'effort d'entraî nement exercé sur le rotor est limité à une valeur inférieure à celle correspondant au seuil. Le rotor se trouve ainsi dans l'impossibilité de s'emballer et de s'endommager, ou d'endommager son carter, lorsqu'il fonctionne à haute fréquence.
La contrainte effectuée qui maintient la fré quence du rotor orbital du côté des valeurs faibles de la courbe de résonance (amplitude en fonction de la fréquence) du dispositif vibratoire entraîné produit une différence de phase rapportée à un angle de rotation entre le mouvement du rotor et le mouvement du dispositif vibrant. De plus, un maxi mum de puissance est fourni par le rotor au dispo sitif vibrant pour une valeur donnée de la puissance fournie au rotor.
Il est évident qu'un tel générateur à rotor orbi tal possède une impédance de sortie élevée, tout en étant actionné par une source de force motrice de faible impédance, étant entendu que l'impédance est proportionnelle au quotient de la force pair 1a. vitesse.
Si l'on considère le côté sortie du générateur, où la piste d'appui du rotor orbital est associée au dis positif vibrant entraîné, on voit que la force est élevée en raison de l'intensité élevée de la force centrifuge, tandis que l'amplitude de la course, et par suite l'amplitude des vitesses, est évidemment faible.
L'impédance élevée de sortie souhaitée pour le système résonant est par suite atteinte. On- asso cie en général l'impédance à des phénomènes alter natifs comme des forces alternatives, en comparai son avec l'amplitude de la vitesse résultante.
La source de force motrice utilisée dans le pré sent exemple est un jet d'apr continu, plutôt qu'un phénomène alternatif. Quoi qu'il en soit, ce jet d'air continu possède la propriété d'avoir une force rela tivement faible et une vitesse assez élevée, et il constitue, en gros, une source de puissance de fai ble impédance. Le générateur satisfait donc aux conditions de fonctionner à l'aide d'une source de puissance de faible impédance, et de fournir de la puissance à haute impédance.
Les diverses formes d'exécution de l'appareil décrit comprennent des dispositifs vibratoires possé- dant une ou plusieurs fréquences de résonance ou gammes de fréquences de résonance, comme la fré quence fondamentale, ou d'autres fréquences.
La fréquence de résonance, choisie pour toute appli- cation donnée, peut être aussi bien la fréquence fondamentale que toute autre fréquence. L'essen tiel est qu'on utilise une fréquence de résonance.
Il ressort de ce qui précède que les formes d'exé cution décrites se rapportent toutes à un appareil du type dans lequel le dispositif entraîné de façon à se mettre en résonance ou presque, appartient à la catégorie à constantes réparties, sans impliquer de limitation. C'est ainsi que ces formes d'exécution peuvent utiliser un barreau en matière plastique dans lequel peut s'établir un effet d'onde, transver sale, giratoire ou longitudinale.
Apparatus for the production of sonic vibrations The present invention relates to an apparatus for the production of sonic vibrations comprising a rotor intended to move in a closed orbit, means for guiding the rotor during this movement so that it remains in permanent contact with a surface of an intermediate member for transmitting vibrations, so as to put said member in vibration, and a device for driving the rotor.
High power sonic vibrations have found a very large number of industrial applications. It is known, for example, that intense sonic energy can be applied to gases, liquids or solids to produce certain desired effects of a chemical or physical nature. Many types of tools or other equipment can be operated by sonic energy of high intensity.
An example of this application, comprises an elongated elastic bar, in which a longitudinal standing wave of resonance is established and entered, so that at one end of this bar a belly of speeds of this standing wave is established, this end being used to vibrate a drill bit or other tool,
applied against a workpiece. Such longitudinal resonance finds another particularly useful application in the production of this type of vibration in the masses serving for the vibratory driving, by resonance waves, of foundation piles used to support buildings and the like.
Devices to be sonically vibrated at resonance are often characterized by high acoustic impedance, this impedance being proportional to the force-to-speed quotient. They vibrate with great force and with a low amplitude of speeds.
The training of these devices, that is to say the production of an efficient vibration generator which suits them, often poses very difficult problems,
in particular because the usual power sources practically available operate at low impedance and are characterized by drive elements moving with relatively low force but with appreciable speed. Ordinary low impedance drive devices are unable to drive high impedance devices,
due to the disagreement of the impedances. The efficiency of transduction (or energy transfer) turns out to be particularly low.
Ordinary sonic generators, such as magnetostriction bars, crystals, etc., may have a displacement due to elastic deformation of only a few decimeters per second, due to the restrictions imposed by the limits of elastic deformation.
The applicant has observed that such a displacement is quite unsuitable for the application of high power.
Mechanical generators are known which have the desired displacement characteristics, but they have the drawback of being complex, which leads to a large number of problems to be solved. Any complication of the moving parts has the effect of giving rise to various vibratory interactions between these parts, at high frequencies, which results in a great loss of energy and, frequently, the destruction of parts in the case of application. significant effort.
At very high frequencies, the gears start to graze, the bearing cages grip and break, and each of the individual balls or rollers of the bearings must then turn so fast that its movement becomes unstable. Pillow bearings seize and heat up abnormally. The power of generators known to date has proven to be quite low,
especially at high frequencies and these generators do not have the robustness that is required of an industrial machine. As a result, many plans to apply sonic power have been thwarted.
The present invention aims to remedy these drawbacks and the apparatus which is the subject thereof is characterized in that said intermediate member is coupled to a vibrating output element, this vibrating element having a range of resonance frequencies and being arranged to vibrate elaistically in said range, and in that the rotor is driven at a frequency located in said range.
range close to a resonant frequency, the drive device exerting on the vibrating rotor a drive force which is less than the critical value corresponding to the maximum amplitude of resonance at said frequency,
so that the vibrating rotor moves and remains in synchronism with the elastic vibration of the vibrating element below said frequency for the maximum amplitude.
The appended drawing represents, by way of example, four embodiments of the apparatus forming the subject of: the invention.
Fig. 1 is a longitudinal section of a first embodiment.
Fig. 2 is a cross section taken on line 2-2 of FIG. 1.
Fig. 3 is an axial section taken on line 3-3 of FIG. 2.
Fig .: 4 is a schematic view illustrating the action of a standing wave, characteristic of the apparatus of fig. 1.
Fig. 5 is a longitudinal section of the second embodiment.
Fig. 6 is a cross section taken along the line - 6-6 of FIG. 5..
There fig. 7 is a view, at the end of an air inlet plate of the apparatus of FIG. 5.
Lai fig. 8 is an elevational view of a wear plate of the apparatus of FIG. 5.
Fig. 9 is a perspective view of a detail of FIG. 5.
Fig. 10 is an elevational view, with partial longitudinal section, showing the third embodiment.
Fig: 11 is a section taken along line 11-11 of fig. 10.
Fig. 12 is a side elevational view, with partial longitudinal axial section, of the fourth embodiment.
Fig. 13 is a section taken along line 13-13 of FIG. 12.
Fig. -14 is an elevational view, partially in section of a detail of FIG. 12.
The embodiment of FIGS. 1 to 4 relate to an apparatus intended to supply intense sonic energy to liquids or gases, in order to produce physical effects or. desired chemicals. Numerous industrial applications of such a process are known; they are described in the technical works and there is no need to describe them below. .
The elastic bar described below has the form of a tube 20, made of steel, carried by spaced blocks or sleeves 21, of rubber, held by supports 22; these blocks 21 are of such a nature as to allow an appreciable degree of elastic vibration in all directions in planes perpendicular to the axis of the tube.
This tube does not rotate as a whole, mass some of its parts, located at a certain distance from the nodal point (s) of a standing wave established in the tube, perform a gyration following a circular trajectory, under the effect of elastic bending of certain parts of the tube, from the neutral position of the latter (fig. 4).
Such circular motion, or gyration, is a form of harmonic vibration; it can be considered as being the result of two transverse linear harmonic vibration components forming a right angle, with a phase difference of 900. The rubber blocks 21 include flexible assemblies allowing such gyration.
The term bar <B> </B> is often used in acoustics when it comes to the propagation of elastic waves, without the cross section being that of a bar, and it is in this sense that the word will be used hereinafter, thus including, generically, hollow rods, or pipes, as well as solid rods, I-beams and the like.
The vibration generator, designated as a whole by 24, comprises a cylindrical casing 25 with a cylindrical chamber 26 which is advantageously (without this being necessary) coaxial with the tube 20. This casing 25 has, in one piece with it , a closing side wall or bottom 25a, fixed, and the opposite side is provided with a closing wall or removable bottom 27. A flange connection 28 is fixed to the bottom <I> 25a, </I> and it has a threaded extension 29 screwed into the corresponding threaded end of the tube 20.
A central axis 30 of circular cross section, preferably having a convex central part 31, barrel-shaped, and of reduced diameter at its ends 32 which are closely fitted in the bottoms 25a and 27. The lateral surface of this axis 30 constitutes a raceway surrounded by a rotor or a ring-shaped inertia roller 33 whose internal surface 34 is cylindrical, smooth, and of a diameter notably greater than that of the axis 30.
In certain applications, the outer surface of the ring 33 has a slight play with respect to the inner surface of the cavity 26 when this ring rests on the axis 30, or when it rotates around the latter.
The inertia ring 33 rolls on its axis 30 under the effect of a jet of fluid (pressurized air, vapor, or a liquid) induced by an injection nozzle 35 formed in the casing 25 tangentially around the circle. circular cavity 26, this fluid being brought to the nozzle 35 by a flexible pipe 36 connected to this nozzle. Drive fluid once used can be drained from chamber 26 in any way desired. In the case shown, it escapes into the atmosphere through orifices 37 made in the bottom 27, as close as possible to the center of the chamber 26.
The fluid introduced tangentially causes the rolling of the inertia ring 33 on the axis 30, and the centrifugal force exerted by the ring while rolling on the axis 30, and which, from there, is transmitted to the housing 25, bends elastically the neighboring end of the tube 20 and causes it to rotate on a circular path. As noted above, this movement of the end of the tube is a form of harmonic vibration equivalent to the result of two transverse linear harmonic vibrations, in quadrature.
Fig. 4 shows, in an exaggerated manner, the tube 20 undergoing the characteristic gyratory elastic displacement of a standing wave corresponding to the fundamental resonant frequency of the tube, for transverse elastic waves propagated longitudinally.
It will be understood, according to known principles, that the standing wave schematically represented in FIG. 4, results from the transmission along the tube, from the generator 24, of transversely oriented elastic deformation waves, which are reflected from the far end of the tube, and which, by interference with the wave Following the forward motion, the standing wave settles roughly as shown.
We see that nodal points are established on the tube at points situated about a quarter of its length, from each of its ends, while at both ends a belly of the standing wave is established.
The speed of rotation of the inertia ring 33, around the axis 30, is determined, in the first case, by the fluid jet which drives it. However, the applicant has found that, if the speed of rotation of the ring is fixed at a number of revolutions per second around the axis 30, close to the resonant frequency of the tube 20, for the vibration mode transverse described, rotation having the effect, on the tube 20 and on the casing 24 fixed to one end of this tube, to make them describe circles of increased amplitude at the bellies of the standing wave,
the ring 33a, unexpectedly, has a strong tendency to lock up at this frequency, that is to say to rotate at a number of cycles per second equal to the resonant frequency of the tube 20 and of the housing 24. The requestor further found that the rate of turn of the ring tends to lag slightly behind the exact resonant frequency at which the amplitude is maximum, or, in other words, to hold steady at low values side of the resonance curve.
Under these conditions, any tendency for the ring to run away under the effect of an increase in the pressure of its drive jet is strongly thwarted. The vibrating tube performs a gyration movement, that is to say longitudinal and rotational, and thus exerts a reaction on the inertia ring and thus maintains it on the side of values lower than the frequency corresponding to the amplitude maxi mum, which has the effect of preventing said ring from racing.
In other words, under the effect of the stress imposed by this reaction of the elastic part in resonant vibration, the frequency of gyration of the ring is maintained at the resonant frequency of the elastic part, slipping to a certain extent. in the driving fluid stream, the fluid jet thus acting as a slip-type drive.
The apparatus of FIGS. 1 to 4 is shown provided with means for introducing a fluid at one end of the tube and discharging it from the other end. Thus, an inlet tube 40 connected to a channel 41 of the part 29, introduces the fluid to be used, through one end of the tube 20, and an outlet tube 42, mounted on a plug 43 screwed to the other end of the tube. tube 20, com munique with this -dernier by a channel 44 and serves to evacuate the fluid used. It will be understood that, in the tube 20, the fluid is subjected to acoustic agitation.
Figs. 5-9 show another embodiment of the orbital rotor wave generating apparatus, comprising a cylindrical rotor rolling on a cylindrical seat, and a series of fluid nozzles for driving the rotor.
A cylindrical housing 44 is press-fitted in the end of the tube 20a shown partially, and corresponding to the tube 20 of FIG. 1, and its end wall or bottom 44a is provided with a nozzle 44b to which is connected a flexible pipe S for supplying compressed air. In the housing 44; Plates are mounted: an air inlet plate 45, in direct contact with the bottom 44a, a wear plate 46, a rolling surface plate 47, a second wear plate 46a, and, finally, an end plate 48, these plates being retained by a washer 48a, on the rear face of which rests a flange 44c produced by folding the end of the housing 44.
The rolling surface plate 47 is pierced in its center to form an annular surface 47a, and, in the chamber delimited by this bearing surface, is disposed a cylindrical roller 49, it being noted that said chamber is delimited on the sides by the two plates 46 and 46a. In the case shown, the diameter of the roller 49 is a little greater than half the diameter of the bearing surface 47a, as can be clearly seen in FIG. 5.
The compressed air entering through the nozzle 44a first enters a chamber 45a in the front face of the plate 45 and from there it flows through a series of divergent channels <I> 45b, </ I> in a series of corresponding channels 45c, which, starting from the outer ends of the channels 45b, extend parallel to the axis of the housing 444, pass through the plates 46, 47 and 46a, and terminate at the adjacent face of the , plate 48.
The air from the channels 45c is introduced into the chamber of the rotor through grooves 47b hollowed out in the opposite faces of the plate 47, and extending from the channels 45c to the cylindrical surface 47a, on which they open out tangentially.
The air introduced tangentially causes the roller 49 to roll around the bearing surface 47a, and this roller exerts a gyratory force on the generator housing. The expanded air is discharged into the tube 20a by openings 46b formed in the central part of the plate 46a, and by a central opening 48b of the plate 48.
The cylindrical roller and the cylindrical surface of fig. 5 to 9 are interesting because of their low rolling friction, and they are particularly suitable for relatively high frequencies. It may also be noted that the cylindrical shape of the roller does not deflect the air on its sides, as would an ordinary ball, and that, therefore, it is more strongly driven than a ball.
The reaction on the rotor, mentioned above, which takes place when the generator drives a load at the resonant frequency, this load having a greater amplitude in a direction of the vibrations (such as for example a bar having an elliptical gyration, or a simple bar with lateral vibrations), manifests itself as a periodic impulse with a tendency to accelerate the rotor periodically. A single air introduction nozzle exhibits a similar trend.
By providing a series of air introduction nozzles distributed around the bearing seat, the aim is to maintain a uniform angular speed of the rotor.
Figs. 10 and 11 show another embodiment of the apparatus applied to an acoustic drive assembly of piles, and which differs from the first embodiment of FIGS. 1 to 4 in that the sonic generator is designed to give rise to longitudinal vibrations in an elastic bar, as opposed to the transverse gyratory vibrations of the first embodiment.
In fig. 10, 50 denotes the assembly of a cylindrical elastic bar intended to serve as a driving mandrel for a pile, and made of a very elastic substance such as steel. This assembly is mounted in a shell 51 which must be driven into the ground under the acoustic effect of the mandrel 50. This pile shell 51 is subsequently filled with cement after the mandrel 50 has been removed therefrom.
The bar 50 is resiliently held in the vicinity of its upper end by a rubber block or sleeve 57, elastically deformable, carried by a support ring 58 which is provided by an arm. which extends laterally from a support device designated as a whole by 59.
The latter can be fixed to a conventional guiding means such as those used in conventional pile driving systems.
The sonic vibration generator, designated by 60, comprises a cylindrical body 61 having at its lower end a threaded coupling pin 62 screwed into a threaded box 63 mounted at the upper end of the rod 50. The upper end 64, of reduced diameter, the body 61 passes through a channel 65 for the fluid, to which is coupled, as indicated at 66, a flexible pipe 67, supplied with pressurized air.
The body 60 comprises a removable part 60a which is applied to the remainder of the body along a vertical median plane 68, and which is fixed in position by means of screws, as shown in FIG. 11. A series of cylindrical chambers 69, two of which are shown, are formed in the body 60, between the main part of this body and the removable part 60a, as clearly shown in FIG. 10, and pins 70 pass through these chambers, and are mounted in the body, as shown.
These pins, the central part of which is advantageously convex as shown at 71, support inertia rings 72 which are similar to those described with regard to FIGS. 1 to 4, these rings 72 being designed to roll around the axes. 70, and the centrifugal force applied to these gyrating rings is exerted on the generator casing, via the pins 70.
The fluid channel 65 mentioned above, connects tangentially to the upper cavity 69 as shown, and a channel 74 is directed tangentially to both the upper cavity 69 and the lower cavity 69, the assembly being such, anyway. times, that the fluid introduced into the two cavities rotates in opposite directions from one cavity to the other. A tangential outlet 75 is directed outwardly through the wall of the generator body, and the discharged fluid can be collected in an outlet pipe 76, of fixed position, which is supported outside the generator.
The inertia rings 72, in the upper and lower cavities, are driven in gyration about their axes 70, in opposite directions, by the flow of pressurized air arriving tangentially, as explained above. As will be understood, the air coming from the source is introduced tangentially to the upper chamber 69; it swirls there and forces the ring 72 to roll around the axis 70.
A certain part of this air is constantly evacuated tangentially through the channel 74 and enters the lower chamber 69, tangentially, swirls in said chamber, in the opposite direction to the swirling in the chamber immediately above, and causes , consequently, the gyration of the lower ring 72 in the opposite direction to that of the upper ring 72. The air coming from the lower chamber 69 is also constantly evacuated tangentially, through the outlet channel 75.
In general, pressurized fluid circulating successively in the chambers 69 would cause the gyration described above of the inertia rings, but there would be no adjustment of the frequency, and the phase ratios between the two rings would be established. randomly.
However, when the current of pressurized fluid drives the rings around the axes, at a number of revolutions per second close to the resonance frequency of the rod 50 for longitudinal elastic vibrations, the rod 50, under the effect of a certain initial impulse supplied by the generator is subjected to the regime of the resonant longitudinal standing wave.
The first characteristic longitudinal vibration which occurs is, in general that of a free-free bar (that is to say of a bar which is not rigidly fixed at its ends) vibrating at half wavelength . With this mode of longitudinal vibrations, the central region, in the sense, of the length of the bar, tends to remain more or less stationary, while the two ends of the bar move away and approach alternately. 'from each other.
In this way, the bar undergoes alternating lengthening and contractions. It will be seen that, as soon as this general type of movement begins to be established in the rod 50, the sonic generator 60 which is mounted at its upper end begins to vibrate longitudinally at the resonant frequency of the rod 50.
As a result, the gyrations of the inertia rings 72 synchronize with the longitudinal movement of the upper end of the rod 50, and therefore synchronize with each other. In other words, the rings orient themselves by themselves, although they move in opposite directions, so as to move in a phase relationship providing power, in the direction of the movement. length of the - vibrating rod 50.
Furthermore, as the rings synchronize with each other, and with the movement of the rod 50, the vertical forces which they exert, through the body of the generator, on the upper end of the rod, synchronize with each other, so that the forces add up along the length of the rod. The rings 72 being thus synchronized, it is a maximum effective force which is applied to the rod 50 in the direction of its length, which has the effect of putting this rod in a longitudinal vibration state at half-wavelength. and of great amplitude.
As in the case of the embodiments described above, the standing wave at resonant frequency, which is established in the rod 50, has the effect of blocking the rings 72 driven by the fluid at the resonant frequency, and , as the applicant has observed, on the low values side of the resonance curve. This prevents runaway of the rings.
It can be seen that the rings synchronize their movements and synchronize with the vibrating rod 50, under the effect of the reaction transmitted to them from the rod 50.
Figs. 12 to 14 show a fourth embodiment of the apparatus, in which the generator is actuated by an electric motor, the shaft of which is coupled to the rotor.
The traction between the rotor and its raceway is increased, in particular at start-up, using friction rings, or magnetic forces, or both of these means at the same time.
Reference 90 designates a base, made of a low reluctance substance, such as, for example, cast iron or steel. This base 90 has a sole 91 fixed to a foundation, not shown. The base supports, at one end, an electric motor 92, the shaft 93 of which is coupled to the end of a hollow shaft 94, arranged at the end of a cylindrical rotor 95, relatively long. This hollow shaft 94 is rather thin and quite flexible, so as to lend itself to elastic flexions. The base 90 includes a support 96 for a bearing 97 which serves as a bearing at the end of the shaft 94 opposite the rotor 95.
A coupling between the shaft 93 of the motor and the neighboring end of the shaft 94 is shown in FIG. 14 and comprises a key 98 having the general shape of an H, and which engages in the notches of the ends of the shafts 93 and 94.
The cylindrical rotor 95 enters, with a certain play, as shown in FIGS. 12 and 13 in a longitudinal bore 99 of an elongated part or block 100. The inner surface of the bore 99 serves as a cylindrical raceway for the rotor 95. The part 100 has an extended semi-circular cross section through a rectangular portion. which has a flat upper face 100a to which a load can be attached.
In the present example, the load comprises a tank 101, the bottom 102 of which is fixed, for example by a silver solder, on the upper face of the part 100. The lower face of the part 100 is provided with a threaded stud 62A onto which a coupling box 63A can be screwed on carrying a mandrel 50 as also shown in FIG. 10.
The bowl 101 and the raceway 99 of the rotor can be provided with all of them. Appropriate support means, not shown, able to support these parts while obeying their vibratory action. Since we want the mass of the part 100, the vibrating part of the tank 101, and the mandrel 50, to form part of a vibratory system in resonance, it is necessary to have an elastically vibrating means,
and this means may comprise the elastically vibrating mandrel 50. If the mandrel 50 is not used, the elasticity of the vessel 101 or its contents may be sufficient.
During operation, the rotor 95 rolls on the surface of the bore 99 while performing a gyratory movement. In order to improve the traction between the rotor and the surface 99, in particular for starting, friction rings are placed, as indicated at 104, in annular grooves 105 formed in the bore 99, and, as shown , there is also provided friction rings 106 placed in annular grooves 107 of the rotor 95.
These friction rings can be cork, compressible rubber, etc. They protrude only slightly from the surfaces in which they are mounted and, when the rotor 95 is at full speed, the centrifugal force which it exerts is sufficient for these friction rings to be pushed back allowing only contact. metal to metal, rotor and bore surface 99.
These bushings provide sufficient sliding friction to allow good traction when starting. On the other hand, they provide insignificant rolling friction, particularly when the rotor has reached a high enough speed, since the load of the bearing is supported mainly by the hard metal surface of the raceway.
It will be easily seen that, in the case of a rotor whose diameter is a large fraction of the bore in which it works, this rotor makes several turns inside the surface 99 for each revolution of the shaft. training. A very advantageous increase in frequency is thus obtained.
It will also be noted that the hollow shaft 94, being thin and slightly flexible, it flexes continuously when the rotor - 95 rolls on its raceway 99, which allows this rotor 95 to roll in contact with the raceway. 99, while, at the same time, the remote end of the shaft 94, 1 where it is supported by the bearing 96, maintains a fixed axial position, so that no gyration vibration is transmitted to the motor .
The resonant frequency of the driven system is determined by the mass and elasticity of the parts in a state of vibration, and including the mass and elasticity of the part 100, the vessel 101 and its contents, as well as the mandrel d 'drive the piles, or elastic bar 50, the resonance obviously being reached at the frequency for which the de-mage reactance is equal, in fact dynamic, to the elastic stiffness reactance.
The assembly is designed so that the motor 92 drives the rotor 95, on the path 99, at a number of revolutions per second which is a frequency situated in the range of resonant frequencies of the system to be driven into vibration.
When this resonant frequency is reached, the driven system reacts, via the shaft 94, on the drive motor 92, so as to maintain its speed on the side of the low values of the resonance curve, such as explained in connection with the previous embodiments.
The motor 92 can be an induction motor, the rotor of which can slide in its rotating field, and which works easily at the resonant frequency of the driven system. The rotor 95, while rolling on the surface 99, puts the part 100, the vessel 101 and the mandrel 50 into a state of gyratory vibration. in general, the vibration is more intense along a certain axis.
Each point of part 100 describes a small circle, or ellipse, due to the centrifugal force exerted on raceway 99 during each course or circuit of rotor 95 on that path. The amplitude of this gyration, that is to say the diameter of the small circle, increases sharply at the resonant frequency, and the system is blocked at resonance, as explained in connection with the previous embodiments.
The friction rings participating in the traction between the rotor and its raceway have already been described, and have been shown to be useful especially at starting. Another means for improving traction will be described below. The base 90 comprises a magnetic ring 110 surrounding one end of the rotor 95, from which it is separated by a small annular gap 110a.
A horizontal rod <B> 111 </B> secured at one of its ends to the frame 90, in the immediate vicinity of the ring 110, has at its free end an open stirrup 112 which closely surrounds the outer surface of the part 100. The rod 111 is surrounded by an induction coil 113. Thus, a magnetic flux passes through the rod 111 between the ring 110 and the stirrup branches 112.
This magnetic flux extends from the stirrup branches 112 to the part 100, through a narrow air gap; part 100 should also be of a low reluctance material, and is normally hard steel. The flow, which thus goes from the caliper arms 112 to the part 100, passes through the rotor 95, and finally returns to the ring 110 and to the base 90 through the gap 110a. The excitation of the coil 112 therefore has the effect of attracting the rotor 95 towards the surface 99 of the part 100.
The rotor is thus maintained in good frictional contact with the surface 99, and it is quite certain that this is true whatever the position of the rotor on its path around this surface. This restoring effect of the rotor against the raceway ensures appreciable traction between the rotor and its rolling surface, which is very advantageous especially at start-up. It will be understood that, in an apparatus of the type considered,
in which there is a large increase in frequency between the driving torque and the rolling contact frequency, the rotor tends to move up to the side of the raceway, then to turn and slide against it. path, when the drive power is initially applied. The magnetic traction means described above, and which are preferably used only at start-up, hold the rotor firmly against the running surface, and thus the correct drive traction is obtained.
In general, it is preferable to use the magnetic flux to increase traction only when starting up, since, when the machine has reached a certain speed, the centrifugal force is sufficient to provide the necessary traction.
The switches for switching on and off the electromagnetic traction means at the appropriate times are not shown. The apparatus represented by FIGS. 12 to 14 is also provided with a damping device, generally designated 120, to prevent harmful vibrations. The vibrations of this kind which are principally to be considered in the present apparatus, would be due to the possibility for the rotor to become slightly deformed, in its course, so that the two ends. rotate with their contact points angularly offset.
This wobbling would have the effect of causing the part of the raceway to emit an irregular vibration in the device, which is generally a drawback.
The shock absorber shown comprises two relatively flexible elastic bands 115 starting from the block 100, and each of which ends at its free end with a large mass 116. The blades 115 can be obtained by slitting lengthwise a bar having the general shape of a T and having the proportions shown in the figure. In the notch between the blades 115, there is a body 117 made of a viscous substance such as pitch, bitumen and other similar substances.
If the part 100 tends to vibrate irregularly, for example due to the fact that the rotor is slightly deformed relative to the running surface, the blades 115 tend to flex, and this bending creates a shearing effect. viscous in the damping substance 117. This damping limits the bending of the blades and, in turn, imposes a stress on the irregular vibrations of the part 100.
The licensee noted that the vibration driven device of the apparatus described, when it vibrates in its resonance range, and when its vibration amplitude is amplified by resonance, reacts on the orbital rotor, to force it to a period orbital dicity which corresponds to its own resonant frequency. The licensee further noted that
that the apparatus described tends by itself to operate for frequencies below the frequency for the peak amplitude corresponding to the resonance, and, moreover, that the entire apparatus: driven vibratory device and orbital rotor , tends to vibrate in synchronism with but slightly below the frequency for the peak amplitude corresponding to the resonance.
The rotor, while traversing its orbit is strongly requested to produce this frequency, and, although it can obviously be driven at a speed high enough to reach a threshold at which it would reach and exceed this resonant frequency, it is necessary dramatically increase training effort before this undesirable condition occurs. About that,
it should be understood that the driving force exerted on the rotor is limited to a value lower than that corresponding to the threshold. The rotor is thus prevented from racing and damaging itself, or damaging its casing, when operating at high frequency.
The stress effected which keeps the frequency of the orbital rotor on the low values side of the resonance curve (amplitude versus frequency) of the driven vibratory device produces a phase difference related to an angle of rotation between the movement of the rotor and the movement of the vibrating device. In addition, a maximum of power is supplied by the rotor to the vibrating device for a given value of the power supplied to the rotor.
It is obvious that such an orbital rotor generator has a high output impedance, while being actuated by a low impedance motive force source, it being understood that the impedance is proportional to the quotient of the even force 1a. speed.
If we consider the output side of the generator, where the bearing track of the orbital rotor is associated with the driven vibrating device, we see that the force is high due to the high intensity of the centrifugal force, while the The amplitude of the stroke, and consequently the amplitude of the speeds, is obviously low.
The desired high output impedance for the resonant system is therefore achieved. In general, the impedance is associated with alter native phenomena such as alternating forces, in comparison with the amplitude of the resulting velocity.
The source of motive force used in the present example is a continuous apr jet, rather than an alternating phenomenon. Anyway, this continuous air jet has the property of having a relatively low force and a fairly high speed, and it is basically a low impedance power source. The generator therefore satisfies the conditions to operate using a low impedance power source, and to deliver high impedance power.
The various embodiments of the apparatus described include vibratory devices having one or more resonant frequencies or ranges of resonant frequencies, such as the fundamental frequency, or other frequencies.
The resonant frequency, chosen for any given application, can be the fundamental frequency as well as any other frequency. The main thing is that we use a resonant frequency.
It emerges from the foregoing that the embodiments described all relate to an apparatus of the type in which the device driven so as to put itself into resonance or almost, belongs to the category with distributed constants, without implying any limitation. Thus, these embodiments can use a plastic bar in which a wave effect, transverse, gyratory or longitudinal can be established.