CoiiPARAISON ENTRE LES UACmNES HORIZONTALES ET LES
MACHINES VERTICALES. On a longtemps discuté sur la question de savoir si les machines horizontales, à bielle directe ou à bielle «n retour, pouvaient offrii les mêmes avantages que les machines verticales à balancier. Aujourd'hui toute incertitude a cessé; les machines des locomotives, des locomobiles, la plupart des machines des bateaux à hélices, et un grand nombre de machines fixes sont à cylindres horizontaux. L'expérience a aussi fait taire les craintes exagérées que la possibilité de Tovalisation des cylindres avait fait nattre.
MM. Thomas et Laurens, en faisant exécuter en foute dure les cylindres de leurs machines horizontales, ont fait voir combien celte déformation était lente, et l'on peut affirmer aujourd'hui que, dans le choix d'une machine à vapeur, celle en question ne doit plus exercer aucune influence. Les industriels devront donc se décider exclusivement d'après les conditions d'emplacement et de prix, sans avoir aucun égard à Thorizontalité et à la verticalité des cylindres.
Les nombreuses tentatives faites dans ces demiëres années
DES HAGHIMES A VAPEUR. 265
pour disposer horizontalement les cylindres des machines de Woolf sont une nouvelle preuve de la préférence que l'industrie semble même accorder a cette disposition.
Nous ajouterons toutefois que ces machines de Woolf» à cylindres horizontaux» ne sont pas encore adoptées d'une manière un peu générale.
Calcul des dimensions à donner aux diverses pièces des machines à Tafeur.
289. Épaisseur des tôles des chaudières. L*épaisseur à donner aux tôles qui entrent dans la construction des chaudières à vapeur est déterminée, par l'ordonnance du 22 mai 1843; mais les prescriptions de cette ordonnance devant être prochainement remplacées par de nouvelles instructions, les épaisseurs de ces tôles devront elles-mêmes être modifiées dans un avenir prochain.
La formule relative aux épaisseurs des tôles est la suivante :
Dans cette formule e est l'épaisseur de la tôle en millimètres, D le diamètre de la chaudière en mètres, P la pression effective de la vapeur exprimée en atmosphère.
Une décision spéciale prise à la date du 20 mars 1856, sur le rapport de la commission centrale des machines à vapeur a autorisé à réduire d'un tiers les épaisseurs calculées par la formule précédente, les dimensions des tôles d'acier qui seraient employées à la construction des chaudières à vapeur.
290. Soupapes de sûreté. L'aire de chaque soupape de sûreté doit être de 0*^0004056 par force de cheval. La charge correspondant à cette surface et à la pression pour laquelle la chaudière est timbrée, doit être exercée sur la soupape au moyen d'un levier à l'extrémité duquel un poids est directement suspendu.
291. Observations générales sur l'application des règles déduites de la résistance des matériaux. Lorsque l'on veut déterminer par le calcul les dimensions des principales pièces
d'tBie undûDe à vapeor» il «tut toiofman comidÉim ks pu»sions <pii se prodaisenC «u cMmeDcement de la covne, c4 ks obliquités les plos grandes. On pevt cepeadant, d^uae i plus générale et pour arrir^ è aae preiiiite«^valiiatiQii,i rir BOX règles sai?aDtes ^ sont pour la plapait Mniaote pour la pratique.
.29&« DiAMÉjBSs DES TiiSfis DE PISTOUS. Walt chaiyail ses tiges de piston de 100 kilogrammes seulement par centimètre carré, et dans les locomolûres on arrive anjourd'haî josqa'à 500 et m&me 550 kilogrammes. Les saisons de ces diSirences tiennent pour beaucoup k la giaoda Ioi]^gaeiir dai tiges de piston, daas les mactùnes 4 balancier» et aux perfaetionnements apportés depuis lors dans te tratail des pièfiiBS de métal.
Suivant que la tige sera plus courte, et suivant qp'eBe sera mieux gnidécu «on s'étoignera du ^îffre de Walt, en admettant des charges qui pourront yarier de 2 à 300 kilogrammes.
Le maximum de 500 kilogrammes ne devra être adopté foe pour des matériaux de choix, et lorsqpie des circonstaaoes particulières feront désirer d'alléger, autant* ique possiUe, le poiéi de la macbine.
Certaines tiges de pistons de machines locomatives résisteat en servioe coiuant à une charge de IQOOkilQgranuDas par«» timètre carré.
293. Section des bielles. Les bielles soumises à des elorts obliques sont toujours un peu renforcées par rapport aux tiges de piston.
DansI^ machines & balancier, lenr section minima ne supporte pas plus de 95 kilogrammes pour des Jolies en fonte, et de 100 kilogrammes pour des bielles en fer.
Aujourd'hui on charge les bielles à peu près autant que les tiges de piston, et Ton augmente leurs dimensions au milieu dans le rapport de 1,1 ou de 1,5 selon que le rapport entre la longueur de la bielle et son diamètre aux extrémités varie de 5 à 35.
ISS HAGHI1«B8 A Ytf BOR. 'W?
iM meiUeuMi bielles gemt «dies qui sont fliites an fer, et on n'en emploie plus d'autres pour les machines h bïéùe directe.
JM. Bmehsions dbs Botrroms de uèmfEVLR. Le boulon 4e noMiivfile estime pièce courte dont h longueur ne dépasse pas 1,25 fois le diamètre et qui placée la plupart du temps en porte à faox résiste au cisaillement que tondrait à produire reffort tMal 4e traction.
Watt admettait que la section de rupture dcTait être calcdée àraÎBonde SOkSogrammes parcentimètre carré. Les expérienoBS de M. Fairbaim démontrant que le cisaillement n*a Tieu que sous noB diarge de 13 kilogrammes par millimètres carrés, il n'y « ancun sDeonrénient à diminuer les dimensions qui«eraieiit eSlculées par la rè^te de Watt, et 1^ pomra <;onrtinuer %'se servir de la même méthode en portant à IM et même à 190 kQogrammes la charge par centimètre carré.
Cette méthode nous parait préférable à celle qui ferait reposer le mode de calcul des tourillons sur la racine cubique de la pression.
S9i(. Diamètres des arbres. Les tourillons des arbres moteurs sont en général d*un diamètre un peu plus grand que celui des boutons de manivelle; mais l'arbre lui-même devant résister à des efforts de torsion son diamètre doit être calculé par une formule différente.
ou d=l9i/^
suivant que cet arbre est construit en fer ou en fonte. Dans cette formule d représente le diamètre en centimètres, N le nombre de chevaux de 75 kilogrammes développés sur le piston, m le nombre de tours de l'arbre par minute.
La pratique a déterminé sous ce rapport l'adoption de dimensions bien plus grandes que celles usitées antérieurement, et T-on peut attribuer cette déférence tout à la fois à la sécurité plus grande q«e les crastmctem's veulent assurer h cet égard et à la longqenr relativement phn grande de l'arbre ie
la plupart des machines aduelleSy comparées aux madiines de Watt.
296. Dimensions des manivelles. Le diamètre da tomillon de Tarbre du volant et celui du bouton de la manivelle étant déterminé par les règles précédentes» les autres dimensions de la manivelle en sont la conséquence.
L'épaisseur du métal autour du bouton de la manivelle est égale au rayon de ce bouton; et, en représentant le diamètre du tourillon du volant par 10 et celui du bouton de la manivelle par a, les autres dimensions ont les proportions indiquées parles figures ci-contre.
Nous ajouterons toutefois que, pour tes grandes machines surtout, on préfère aujourd'hui augmenter la largeur des paliers, on leur donne souvent une largeur égale au double de leur diamètre y et cette proposition est souvent dépassée dans de très-bonnes constructions.
Fig. %8.
Fig. «%.
S97. Balanciers. Bien que le nombre des machines i balancier ne suive pas la même progression que celui des auti*es machines, il est nécessaire de donner quelques iodi-
cations sur les dimensions de la pièce principale qui sert à les dénommer :
Généralement les r^les posées par Watt ont été conser-
La distance horizontale entre la verticale, formée par la tige du piston et celle qui passe par Taxe de la manivelle, est généralement égale à trois fois la course du piston.
La distance entre les centres des articulations des extrémités du balancier est égale à environ trois fois la longueur de la course du piston.
Le rapport entre la hauteur et Tépaisseur au milieu est généralement celui de 1 à 16.
Quant aux dimensions elles-mêmes, voir la Résistance des vnaUriauXt etc.
Volants.
S98. Objet des volants. Les volants ont pour but de régulariser le mouvement des machines, et de resseiTcr entre des limites convenables les variations périodiques de leur vitesse.
On ne doit donc les employer que dans les trois cas suivants :
1* Si la puissance a une vitesse périodiquement variable, comme dans les machines à vapeur, les manivelles mues par des hommes, etc. ;
2* Si la résistance éprouvée par l'outil est périodiquement variable, ou n'agit qu'à certains instants du mouvement, comme dans les laminoirs, les marteaux, les scieries, les machines à découper, etc.;
3* Si la puissance et la résistance sont à la fois variables ou intermittentes.
On doit placer le volant le plus près possible de la pièce dont le mouvement est variable ou l'action intermittente.
Le degré de régularité que doit produire un volant dépend
870 DU MACHUIES A VAICm.
de Tolqei auquel on le destine , de la nature des outib à es* ployer, des produits à obtenir, etc.
Pour simplifier la solution de la question de l^étebSs9teMlt des Yolants, on néglige ordinairement Tinfluence régnlatike de kufs brasy et on détermine seulement le poids; qufiLcoATient de donner à.f anneaa.
En appelant a la feirgeur de l'attoean parallèlement à Taxe de natiiMi, b son épaisseur dans le sens du rayon, R son rayon moyen, mesuré au milieu dermuew:
Le poids de cet anneau en fonte a pour expression
Des considérations locales et particulières à la machine elle-même serrent ordinaii*ement à déterminer le rayon du volant, et dans les formules suivantes nous lé supposerons connu ; mais nous ferons observer qu'bn doit le foire aussi grand que possible, tout en ne dépassant pas certaines limites, qui dépendent de la vitesse maximum que ht circonférence de cet anneau peut prendre sans que la force centriCnge acquière une intensité trop cûDsidêmble. Cette vîtotte ne doit pa& eoLcéder, mais peut atteindre 2£k 2^ ao màtres par seconde.
Fonindeipniti({(ns ponr propoiticfaner les folant^dè» imdâiei i tapsnr.
Si r«n appelle
P le poids de Tanneau du volant,
V la vitesse de sa circonférence moyenne,
N la force en chevaux de le macbine,
m le nombre de touri de Varbre. du volant en. i',.
n un. nombre qui varie avee le degré de réfulaxité qpe l'on veut obtenir.
MES MACHINU k VAUim. 271
K «A eddficîeni numérique oonstent pour chaque gtnre de machine^ et dépendant de sa disposition et de la proportion de la défente employée,
on aura, pour déterminer le poids P de Tanneau, la formule suivante:
dans laquelle on fera n = d2, si Ton veut obtenir le même degré de régularité que Watt dans ses machines à basse pression.
Cette formule retient à la règle suivante :
Pour obtenir le poids de Vanneau du volant Sune machine à vagefur^ multipliez la force nominale en chevaux par le nombre régulateur n, que l'on prtni habituellement égal à 32; divisez le produis par cAui du nombre de tours du volant et du carré de la vitesse de sa drconférenoe moyenne ^ et multipliez le quotient par le coefficient K, donné dans le tableau suivant :
DES MACHINES A VAPEUB.
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S99. Observation stth la valeuk a donner- au nombre kèxsxj- LATEUR n. Watt, dans sa pratique et pour les cas ordinaires, avait adopté pour ses volants une règle qui revenait à la formule précédente dans laquelle on aurait fait n=32, et Ton pourra aussi adopter cette valeur de n dans tous les cas ordinaires pour les autres genres de machines. Mais quand la nature des produits exigera une très-grande régularité, ainsi que cela arrive pour les filatures en fin^ les machines à papier, etc., il faudra augmenter la valeur de ce nombre, et la porter à n=50 ou n=60.
Exemples, l"" Quel devrait être le poids de Fanneau du volant de la machine à vapeur à basse pression de la force de quarante chevaux de la filature du Logelbacb, près Golmar,dont le volant faisait 18 à 20 tours en 17
Les cotons filés étant des numéros 40 à 60, le diamètre moyen étant pria égal à 6". 10, la vitesse à cette circonférence était pour 19 tours en V
Le tableau nous donne pour la formule où n=3S
2? Quel doit être le poids du volant d'une machine à vapeur de la Ibrce de 30 chevaux, sans balancier, à détente, commençant au cinquième de la course à un seul cylindre avec condensation , fonctionnant avec de la vapeur à 5 atmosphères de pression?
Si Ton se contente de la régularité ordinaire des machines de Watt, on fera n = 32. D*après la limite posée au n* 29<8, le nombre de tours de Tarbre du volant doit être, en l', d'environ m = 28,7. Le tableau donne K = 6665.5. La course du piston doit être de f^.âO. Par conséquent le diamètre moyen du volant doit être d'environ 4.50 fois cette course ou 5"*.40. La vitesse à sa circonférence moyenne sera donc
28 7 V= ^ .3.1461 X 5".4 = 8™.il5,
KBS MACHINES A VAPEUR. 275
On a donc
500. Diamètre des volants. — Machines a basse ou a haute PRESSION. Le diamètre moyen est compris entre 3.00 et 3.50 fois la longueur de la course du piston.
Machines a deux cylindres, détente, condensation et balancier. Le diamètre moyen est égal à 3.5 à 4.0 fois la longueur de la course du piston.
Machines a un seul cylindre, a haute pression avec ou sans détente, sans balancier. Le diamètre moyen est égal à 4.00 à 4.50 fois la course du piston.
Celte dimension du volant doit être limitée par la condition de ne pas augmenter démesurément Tespaee occupé par la inacbine, et de ne pas donner à la circonférence de Tanneau une trop grande vitesse.
501. Volant pour un marteau frontal. Les marteaux frontaux battent ordinairement 70 à 80 coups en T, et leur poids, y compris celui du manche, varie, suivant la qualité des fontes employées à les faire et suivant la nature de la fabrication, de 8000 à 4000 kilogrammes.
On calculera le poids de Tanneaa du volant à monter sur Tarbre à cames par les formules suivantes :
Marteaux de {
qui reviennent à la règle suivante :
Pour déterminer le poids de ranneau du volant à monter sur Farbre à cames d'un marteau frontal.
Par le carré du rayon moyen de cet anneau divisez le nombre
20000 pour les maritaux de 3000 à 3500,
30000 pour les marteaux de 4000 à 4900;
Le quotient sera le poids cherché en kilogrammes.
Exemple. Quel doit être le poids de l'anneau du volant de l'arhre à cames pour un marteau qui pèse» avec son mancbe» 3 165 kilogrammes, et dont le rayon moyen est de 2».l5?
Lu formule donne
Le volant d'un marteau frontal établi à Framont» qui marchait avec une régularité suffisante, et dont le rayon était de 2«.15, ne pesait que 4 230kil.
302. Volant pour un marteau a l'allemande condltt par UN ENGRENAGE. Lcs marteâux à l'allemande pèsent de 600 à 800 kilogrammes, y compris le poids du manche, de la hurasse et des ferrures. Us battent ordinairement, à leur plus grande vitesse, 100 à 110 coups en 1'.
On calculera le poids de l'anneau du volant à monter sur l'arbre à cames par la formule
qui revient à la règle suivante :
Pour déterminer le poids de Vanneau du volant à manier sur V arbre à cames d'un marteau à V allemande^ Divisez 15 000 par le carré du rayon moyen de Fanneau : Le quotient sera le poids cherché en kilogrammes.
Exemple. Quel doit être le poids de l'anneau du volant à monter sur l'arbre à cames d'un marteau à l'allemande, le rayon moyen de cet anneau étant de l^jOS?
La formule donne
L'anneau du volant d'un marteau à engrenage établi à Moulin- Neuf, près Moyeuvre, dont le rayon moyen est de 1",65, pèse 5 150 kilogrammes environ.
ô05. Volant pour un martinet a engrenage. On emploie
dans les forges des martinets de diverses grosseurs, selon Tusage auquel on les destine. Ils battent ordinairement de 150 à 200 coups à la minute.
On déterminera le poids de l'anneau du volant à monter sur Tarbre à cames par la formule suivantes
Martinets de < *
\ MX
Nota. Dans les poids indiqués ci-dessus on comprend celui du manche et de toutes les ferrures.
Ces formules reviennent à la règle suivante :
Pour déterminer le poids de Vanneau du volant d'un martinet à engrenage j Par le carré du rayon moyen de Vanneau divisez le nombre
9000 pour les martinets de 500'",
6000 pour les martimts de 360''" :
Le quotient sera le poids cherché de Vanneau en kilogrammes.
ExEBiPLE. Quel doit être le poids de l'anneau du volant d'un martinet de 360 kilogrammes, le rayon moyen de cet anneau étant de i",50?
La formule donne
504. Volant pour les moulins a poudre a pilons. Les pilons des moulins à poudre pèsent 40 à 42 kilogrammes et battent 56 coups à la minute, à raison de deux coups par tour de l'arbre à cames. L'expérience a prouvé que des volants de 2"*,50 de diamètre moyen, avec un anneau de O"*»!? de largeur dans le sens de l'axe et O^'ylS dans le sens du rayon, produisaient une régularité bien suffisante pour la conservation des engrenages et la diminution des ébranlements de la charpente.
278 DES HAGHJNfiS A VAPEUR.
Par coD&équeat^ on pourra adopter ces proportions, et si quelque circonstance locale obligeait à employer un diamèlre plus petit, on se servirait de la formule
pour calculer le poids de Tanneau dont on se serait donné le diamètre.
505. Volant pour une scierie. Pour les scieries à une lame, destinées au débit des gros bois et donnant de 80 à 90 coups en 1', il suffira que le poids du volant placé sur Taxe de la manivelle soit déterminé par la formule
en nommant V la vitesse moyenne de la circonférence do milieu de Fanneau.
Ce poids peut être réparti entre deux volants placés de chaque côté du châssis.
11 faut en outre ajouter à Tanneau du Tolanf^ dans le prolongement du rayon qui correspond à la manivelle, une masse de fonte ou de plomb destinée à former contre-poids au châssis pendant sa descente. Lorsqu'il s'agira d'une scierie à une seule lame dont le châssis ne pèsera pas plus de 400 kilogrammes, ce contre-poids pourra être déterminé avec une approximation suffisante par la formule.
dans laquelle
p représente le poids à donner au contre-poids,
r la dislance à laquelle son centre de gravité se trouve de Taxe du volant.
Exemple. Quel doit être le poids du volsoit d'une sdene à «ne seule lame, son rayon moyen étant de 0",7e et sa vitesse de 88 tours en l'I
DfiS KÀGfllKfi8 A. VAPEUR. 279
On a
La formule donne
Les deux volants d'une scierie établie à Melz depuis dix à douze ans, et qui marche avec toute la régularité désirable, ne pèsent que 512 kilogr. Cependant on fait ordinairement ces volants plus forts, et nous pensons que la règle précédente ne conduit pas à un poids exagéré.
Le contre-poids à placer à la circonférence moyenne de l'anneau du volant sur le prolongement du rayon correspondant à la manivelle sera, d'après la formule précédente, égal à
306. Observations relatives aux scieries a plusieurs lames. Lorsque les châssis doivent recevoir plusieurs lames , le volant et le contre- poids peuvent être d'autant plus légers qu'il y a plus de lames. Mais, comme la scierie sera nécessairement quelquefois armée d'une seule lame, il conviendra de déterminer le volant dans tous les cas par la règle du numéro précédent.
307. Laminoir pour les grandes toles et i/étirage des fers EN BARRES. Pour CCS usiucs on déterminera le poids de l'anneau (lu volanl par la formule
p__130000NK
dans laquelle on représente par
P le poids cherché.
N la force en chevaux transmise par le moteur à l'arbre du volant,
V la vitesse moyenne de la circonférence milieu du volant,
m le nombre de tours des cylindres ou du volant en T,
K un coefficient numérique.
On prendra :
K = 20 pour les machines de 80 à 100 chevaux faisant marcher à la fois 6 à 8 équipages de cylindres à tôle ou pour le fer en barres,
K = 25 pour les machines de 60 chevaux faisant marcher 4 à 6 équipages de cylindres pour l'étirage des fers,
K = 80 pour les machines de 30 à 40 chevaux ne faisant marcher à la fois qu'un seul équipage de cylindres à grosses tAles, ou deux équipages de cylindres ébaucheurs ou finisseurs pour les petits fers.
Premier exemple. Quel doit être le volant d'une usine dont le moteur a la force de 60 chevaux et fait marcher 6 équipages de cylindres ébaucheurs et finisseurs pour l'étirage des fers en barres, dans le cas des données suivantes ?
Diamètre du volant 5"',84
Nombre de tours du volant et des laminoirs en 1' Tn = 60
Vitesse de la circonférence moyenne de l'anneau. V=18-,4
La formule donne, en faisant R = 25,
L'anneau du volant de l'usine de Fourchambault, dont les dimensions et la vitesse sont celles de l'exemple précédent, et dont la machine conduit :
4 équipages de cylindres ébaucheurs )
j ,. j ^ . l pour les gros fers,
4 id. de cylindres finisseurs \
3 équipages ùb cylindres ébaucheurs 1 , . .
J pour les petits fers, 3 id. de cylindres finisseurs )
dont 6 environ pouvant être en train en même temps, ne pèse que 8000 kilogrammes.
Deuxième EXEiiPLE. Quel doit être le poids de l'anneau du vo-
lant d'une usine à fer mue par une roue hydraulique de la force de 36 cheYaux et qui conduit un équipage d'? cylindres pour les gros fers, et un autre pour les petits fers, dans le cas des données suivantes ?
Diamètre du volant 9"
Nombre de tours du volant et des cylindres en r 60
Vitesse à la fcircontérence moyenne de l'anneau. V=28'",26
La formule donne, en faisant R == 80,
Une usine qui se trouve dans les circonstances des données précédentes a un volant du poids de 9000 kilogr. , mais il y a lieu de croire qu'il est un peu plus fort qu'il n'est nécessaire.
Nota. On concevra facilement que le volant doit être d'autant moins lourd que le moteur est plus puissant, attendu que dans le nombre d'équipages de cylindres qu'il conduit il n'y en a qu'un ou deux qui travaillent précisément au même instant.
La formule précédente peut aussi s'employer lorsque le moteur doit conduire aUernativement un équipage de cylindres et un marteau frontal.
308. Observations sur l'emploi de cette formule. Les valeurs précédentes du coefficient K conviennent pour les laminoirs conduits par des machines à vapeur, des roues à augets et des roues de côté ; mais lorsque la roue motrice sera à aubes courbes ou à aubes planes, recevant l'eau par la partie inférieure, ces roues marchant ordinairement à de plus grandes vitesses et contenant moins d'eau que les autres, on pourra donner à ce coefficient K une valeur un peu plus faible.
Machines motrices direrses.
