CONSIDÉRATIONS GÉNÉRALES
L’instrument a pour but de mesurer et d’inscrire à chaque instant la pression de la vapeur dans le cylindre d’une machine à vapeur ; à cet effet, un crayon prenant sous l’action de la vapeur un mouvement vertical , trace une ligne sur un papier qui reçoit lui-même un mouvement de va et vient horizontal , proportionnel au mouvement même du piston.
Il résulte de ce double mouvement , une courbe dont les abscisses sont proportionnelles aux chemins parcourus par le piston et dont les ordonnées sont proportionnelles à la pression absolue de la vapeur.
Si l'on interrompt l’action de la vapeur sur le crayon, en laissant subsister celle delà machine sur le papier, on obtiendra une ligne droite horizontale dite ligne atmosphérique parce qu’elle corres-
pond à l’équilibre , c’est-à-dire à une atmosphère de pression devant et derrière le piston.
Voici les différentes indications qu’on peut déduire de cette courbe qu’on appelle un diagramme :
i° La déperdition dépréssion entre le générateur etle cylindre.
2° A quel moment de la courbe, on obtient le maximum de pression.
3® Si cette pression maximum se tient bien.
4° A quel moment et sous quelle pression lavapeur s’introduit.
5” Si l’admission est fermée brusquement ou progressivement et, dans ce dernier cas , dans quelle mesure.
6° A quel momentet sous quelle pression la vapeur s’échappe
7° Si (dans une machine sans condensation) l’échappement est entièrement libre, ou dans quelle mesure la vapeur exerce une contre-pression derrière le piston.
8° Dans une machine à condensation, le degré de la dépression obtenue et si elle se fait rapidement ou graduellement.
9° Si avant l’admission , il reste ou non delà vapeur; à quel moment cette vapeur commence à exercer une contre-pression et la mesure de cette contre-pression.
io° Enfin le diagramme fournissant d’une manière certaine la moyenne des pressions pour toute la course du piston, permet de calculer exactement le travail mécanique absorbé parla totalité du mécanisme, ainsi que celui employé par chaque organe ou chaque outil séparé; ce qui résultera de la comparaison de différents diagrammes relevés en supprimant tour à tour les d'veis organes.
La courbe , elle-même, peut être divisée en six segments particuliers , formés dans les diverses périodes d’action delà vapeur.
Le diagramme, c’est-à-dire l’ensemble de l’épure, est divisé en dix segments égaux , par des ordonnées perpendiculaires à la ligne atmosphérique. Des lignes parallèles à cette dernière sont tracées de maniéré à diviser toutes les ordonnées suivant des intervalles correspondant à des pressions déterminées. Sur la
figure ci-dessous , ces parallèles correspondent à des pressions de o k. 250 par centimètre carré , soit environ 1/4 d’atmosphère.
La ligne c g est la courbe^théorique de l’expansion parfaite.
Vapeur
En étudiant le diagramme (fig. i), nous voyons que la lumière d’échappement a été couverte au point F et que la vapeur restant dans le cylindre a subi une pression due à l’avance du piston et qui s’est élevée à environ ok35o au-dessus de l’atmosphère — A ce moment en A l’admission est ouverte et la pression monte subitement à ik03. La lumière restant ouverte , la pression reste stationnaire jusqu’au point C oul’admission cesse, maisle point C ne fournira jamais un rebroussement bien net, car le rétrécissement graduel delà lumière, jointàladétentedelavapeuradmise, contribuent à arrondir la courbe et à reporter le point c un peu plus loin qu’il ne doit être. En D, l’échappement commence à s’ouvrir, la détente a amené la pression à o^ioo environ ; à ce moment, Faction du condenseur se manifeste, la pression tombe rapidement à olôoo au dessous de l’atmosphère, ce qui est marqué en E , puis le vide arrive un peu -après à okçoo où fl se maintient jusqu’au moment de la fermeture de l’échappement.
PRINCIPES GÉNÉRAUX SUR LA CONSTRUCTION ET LE FONCTIONNEMENT DES DYNANOMÈTRES.
Le dynanomètre indicateur de Watt , primitif ou perfectionné, se compose toujours d’un petit cylindre , ouvert à la partie supérieure, et armé d’une tubulure avec robinet qui permet d’en mettre le fond en communication avec les appareils contenant du gaz ou de la vapeur, qu’on veut expérimenter. — Un piston plein, placé dans ce cylindre, est soumis à l’act.'on d’un ressort qui , à l’état normal , le maintient au milieu de sa course; si la pression du gaz devient supérieure ou inférieure à celle de l’atmosphère , le piston remontera ou redescendra en comprimant le ressort ou en l’étirant. — La tige du pLton porte une pointe à tracer , ou agit sur un système cinématique quelconque pour transmettre un mouvement également rectiligne , amplifié ou non , à une pointe à tracer. La pointe presse à son tour contre
une bande de papier mue par un mouvement d’horlogerie ou par la machine elle-même.
Dans le premier cas, les abcisses sont proportionnelles aux temps ; le mouvement est continu , et le diagramme donne les pressions correspondantes aux diverses phases de l’expérience.
Dans Je deuxième cas, le mouvement est alternatif : la courbe est fermée et chaque révolution correspond à un tour entier de l’arbre sur lequel on prend le mouvement. Les abcisses seront alors proportionnelles aux distances angulaires parcourues successivement par le moteur, et par conséquent aux positions successives du piston de la machine motrice qui actionne cet arbre.
DES ERREURS QUI PEUVENT SE PRODUIRE DANS LE DIAGRAMME ET DE LEURS CAUSES.
Pour obtenir un diagramme correct, et de l’examen duquel on puisse tirer des conclusions sérieuses , il est absolument indispensable que le mouvement du papier soit rigoureusement proportionnel à celui du piston , et que le crayon obéisse instantanément et avec une régularité parfaite aux variations de pression.
Nous reparlerons plus tard des erreurs dûes aux défauts delà transmission du mouvement au papier.
Celles qui proviennent du mouvement du crayon sont plus sérieuses. — Dans les dynamomètres primitifs les ordonnées sont obtenues directement par l’allongement ou le refoulement du ressort qui soutient le piston. Afin de rendre l’épure plus lisible, on a été amené à augmenter l’amplitude de ce mouvement en augmentant la longueur du ressort.; il en résulte qu’il faut un temps déterminé pour que le déplacement du crayon s’opère et que les indications ne sont plus instantanées. Les points de rebroussement ne sont plus à leur place réelle et dans les machines à grande vitesse les diagrammes n’offrent plus que
des figures confuses. M. Richard a réussi à diminuer ces chances d’erreurs en employant des ressorts très-courts et très-forts, ayant par conséquent une course très-restreinte , mais en interposant entre le ressort et le crayon un système de leviers parallélogrammiques qui donne aux ordonnées de la courbe toute l’amplitude désirable. Ces ressorts courts ont d’ailleurs l’avantage de ne pouvoir éprouver aucune flexion transversale , et permettent d’employer un piston à plus grande surface ce qui augmente la sensibilité de l’instrument et la sûreté des indications.
Il y a , dans le jeu des ressorts d’autres causes d’erreurs contre lesquelles il faut également avoir soin de se prémunir.
On admet que les ordonnées du diagramme sont proportionnelles aux pressions exercées sous le piston du dynamomètre ; or cette proportionnalité n’est jamais rigoureusement vraie ni même possible.
Nous ne nous occuperons pas de l’amplitude totale des oscillations du ressort ; on comprend facilement que la température à laquelle on opère , un peu de jeu dû à l’usure de l’instrument, un peu de raideur provenant de l’état des surfaces en contact , amèneront nécessairement, même d’un jour à l’autre, des variations sensibles dans la quantité d’allongement que le ressort peut prendre sous une pression donnée. — Il sera donc absolument nécessaire , avant toute expérimentation , de placer l’insment sur une prise de vapeur , parallèlement à un bon manomètre. On trace, en faisant mouvoir le papier à la main, une ligne horizontale sur laquelle on inscrit la pression indiquée par le manomètre et qui servira de repère pour tracer l’échelle.
Si les variations de longueur du ressort étaient réellement proportionnelles aux pressions , le tracé de l’échelle n’offrirait plus aucune difficulté, puisqu’il suffirait de diviser en parties égales la hauteur comprise entre la ligne atmosphérique et la ligne de repère , et de continuer la même graduation en-dessus et en-dessous, et c’est ce qui sefaitordinairement quand on ne veut avoir que des diagrammes suffisamment approximatifs. Mais il n’en
est pas de même lorsqu’on veut avoir des résultats exacts. En effet :
i° La constance du rapport ne peut avoir lieu que dans une limite assez restreinte des amplitudes d’oscillation ; aussi les contructeurs de dynamomètres ont-ils le soin de joindre à leurs instruments une série de ressorts différents qu’on doit employer suivant les circonstances , et de manière à ce que les pressions qu’ils doivent supporter et transmettre ne présentent pas un écart de plus de 2 à 3 kil. par c. q. Les uns serviront pour les machines à condensation, les autres pour les machines à pression moyenne , d’autres pour les machines à haute pression, etc.
20 II faudrait que les ressorts fussent construits avec une régularité parfaite de forme et de dimension , et qu’en outre ils présentassent une homogénéité également parfaite d’un bout à l’autre. Le moindre défaut de forme ou de contexture peut faire que pour des différences égales de pression on n’obtienne pas des variations égales dans la longueur.
Il n’y a qu’un seul moyen de parer à cet inconvénient ; il consiste à graduer l’appareil expérimentalement et par étalonnage. Pour cela on le place parallèlement à un manomètre qui sert d’étalon , sur une même source de pression , en se plaçant d’ailleurs dans les mêmes conditions de température qu’on doit avoir lors des essais , puis on trace une ligne sur le papier à chaque instant où le manomètre indique une pression appartenant à l’échelle qu’on désire reporter sur les diagrammes.
Un manomètre anéroïde peut servir , surtout s’il est neuf , mais il sera toujours préférable , si on le peut , d’étalonner sur un manomètre à mercure à air libre.
Quant à la source de pression , elle ne peut être autre que de la vapeur si l’on doit expérimenter un cylindre à vapeur. Si l’on doit prendre des diagrammes sur des cylindres à air, à acide carbonique, etc., il faudra étalonner l’instrument par des pressions produites par ces mêmes gaz.
L’étalonnage par la vapeur se fera facilement en employant
une petite cloche installée sur le générateur même , et remplie d’abord de vapeur à la plus grande pression que doit indiquer le ressort étudié. On ferme la communication avec le générateur , et la pression tombe d’elle-même assez lentement pour donner tout le temps de tracer les repères. D’ailleurs on peut toujours la remonter au besoin , en manœuvrant le robinet de communication. Cet appareil servirait même pour obtenir les repères des pressions inférieures à l’atmosphère , car si la cloche est bien étanche , la condensation de la vapeur qu’elle contient peut y produire un vide presque absolu.
INSERTION DE LINDICATEUR.
Quand cela est possible , il est bon de prendre des diagrammes aux deux extrémités du cylindre. C’est une erreur de croire que si les valves sont égales, les diagrammes devront être semblables; il n’en est rien et cela tient à la différence de vitesse du piston dans les deux sens de sa course.
Dans une machine à action directe, la vitesse peut être de 35 à 66 p. 0/0 plus grande dans la partie du cylindre opposée à la manivelle que dans celle qui y correspond.
Dans les machines à balancier , le contraire a lieu et la vitesse du piston est plus grande dans la partie supérieure du cylindre.
La différence des diagrammes peut encore provenir d’une inégalité dans la section des lumières , dans la commande des valves , leur quantité d’ouverture, le moment de leur fermeture. En somme , l’indicateur démontrera toujours si les choses se passent également ou non dans les deux périodes de la course du piston. Il faut éviter l’emploi des tuyaux et insérer l’instrument à même sur le cylindre, surtout pour les machines à grande vitesse. S’il y a nécessité d’en employer , ils ne doivent pas avoir moins de 12 m/m de diamètre et même 15 m/m dans les coudes ; ils seront aussi courts et aussi directs que possible. On peut vérifier avec l’instrument que 2 centimètres de tubes inter-
posés occasionnent une perte de pression sensible et qui variera avec le diamètre du tube , le nombre des coudes et la vitesse du piston. Certains diagrammes, pour cette seule cause, n’ont indiqué qu’avec 40 % en moins , la pression dans le cylindre.
Sur les machines verticales on visse ordinairement l’indicateur sur le couvercle supérieur ; quelquefois on le pose sur le trou fileté de la boîte à graisse qu’on enlève préalablement ; si l’on veut expérimenter sur la partie inférieure , il faut pratiquer un trou dans la paroi du cylindre, entre le fond et le piston.
L’indicateur peut être placé directement dans ce trou , mais il vaut mieux y ajouter un tube recourbé, très-court, garni d’une . boîte filetée , afin que l’instrument reste vertical. On agira de même pour la partie supérieure lorsque les circonstances ne permettront pas de se placer sur le couvercle. Il faut avoir soin que le piston ne puisse pas recouvrir l’orifice. Pas de lut dans ces petits joints , cela salit inutilement l’instrument. Si le pas de vis est un peu gai , un fil de coton , enroulé sur la tige , suffira à prévenir toute perte de vapeur.
Sur les machines horizontales , la meilleure place pour insérer l’indicateur est à la partie supérieure du cylindre , à chaque extrémité. S’il y a quelque obstacle on établira un tube courbé , soit dans les couvercles , soit sur les parois , aussi près que possible du sommet. Ne vous établissez jamais sur les lumières , le courant de vapeur qui passe alors devant l’orifice donne lieu à un abaissement de pression dans l’appareil , et les diagrammes sont profondément altérés.
MOUVEMENT DU PAPIER. — POINT d’aTTACHE.
On s'attèlera sur un point quelconque de la machine , doué cependant d’un mouvement qui coïncide bien avec celui du piston. Sur les machines à balancier, ce sera sur le balancier même ou sur une tige du parallélogramme. Il faut faire attention
à ce que la corde ait un mouvement droit et sans oscillations , ce que l'on néglige souvent.
Dans certains cas on devra prendre le mouvement sur l'extrémité de l'arbre du volant , c’est ce qui arrive pour les machines horizontales à haute pression , et cela présente l’avantage de n’avoir pas à réduire la course; seulement on n’aura alors des résultats exacts qu’à la condition d’interposer une glissière guidée et conduite par une corde d’une longueur calculée pour que son oscillation ait la même valeur angulaire que celle de la bielle; sans cette précaution il est clair que le mouvement du papier ne restera pas en proportion constante avec celui du piston. En tous cas, il est essentiel, du moins, de disposer le point d’attache de telle sorte qu’il soit au milieu de sa course exactement lorsque le papier est lui-même au milieu de la sienne , quelles que soient d’ailleurs les directions de la corde de part et d’autre de ce point commun.
Sur les machines horizontales on prend ordinairement le mouvement sur le T de tête du piston.
Dans les machines fixes , on suspendra au plafond une tringle de bois articulée au sommet en un point fixe et reliée inférieument au T par une goupille plantée dans le coulisseau , de manière à osciller le long des guides dans un plan vertical. La corde s’attachera sur cette tringle à une hauteur convenable pour régler la course sur celle du petit piston ; elle sera , d’ailleurs , renvoyée à l’indicateur par un système d’autant de poulies qu’il sera nécessaire.
Pour les locomobiles , on fixera ce balancier vertical sur un support élevé de 60 c-/m. environ , rapporté sur le bâti.
Sur les locomotives , si les transmissions sont extérieures , on on se placera également sur l’armature de tête du piston. Il faut que la corde soit directe , courte , sans élasticité , et qu’elle s’attache en un point dont le mouvement soit en rapport précis avec celui du piston ; il est important encore que le mouvement de la corde soit régulier et sans secousses. Le meilleur moyen
consiste à employer un balancier oscillant dont Taxe fixe sera placé au-dessus de la position médiane du point choisi sur la tête de piston pour transmettre le mouvement. Ce balancier porte deux bras inégaux ; le plus long sera actionné par le piston et le plus court recevra la corde. Quelle que soit la direction absolue de celle-ci , le balancier doit être construit et calé de façon à ce que son petit bras soit perpendiculaire à la corde au point milieu de la course.
Si les transmissions sont intérieures , le mieux sera d’insérer sur l’extrémité de l’essieu moteur une cheville qui renverra , par une bielle, le mouvement au point le plus convenable pour attacher la corde.
Enfin, dans le cas d’une machine oscillante, on prendra le mouvement sur les coussinets de la tête du piston , à moins que la course ne soit trop longue ; il devient alors assez difficile de la réduire, et il sera nécessaire d’établir un excentrique sur l’arbre principal, aussi près que possible du tourillon.
On emploie souvent, pour produire le mouvement, des poulies de diamètres différents montées sur un même axe. Ce n’est pas une bonne méthode , et surtout à de grandes vitesses , ce genre de transmissions peut donner lieu à des erreurs et à des perturbations dans les diagrammes.
Notes à annexer au diagramme .
Pour pouvoir étudier un diagramme il convient de relever et de noter :
L’échelle de l’indicateur.
Le genre de la machine ; l’extrémité du cylindre , ( avant ou arrière) , sur laquelle on a placé l’instrument , et , dans les machines à deux cylindres, celui des deux qu’on a expérimenté.
La course du piston , le diamètre du cylindre , le nombre de coups de piston par minute.
La section des lumières , le genre des valves employées , le recouvrement, la section des conduites d’arrivée et d’échappement.
Le volume des espaces perdus et la longueur qu’il faut supposer en plus au cylindre pour en tenir compte.
La pression dans le générateur, le diamètre et la longueur des tuyaux , la section et la position du registre et le coefficient delà détente.
Dans les locomotives : le diamètre des roues motrices , la section de l’orifice d’échappement , le poids du train , les pentes ou les courbures de la voie.
Dans les machines à condensation : le vide obtenu , le genre du condenseur, les quantités proportionnelles d’eau employée , sa température primitive et celle sous laquelle elle sort ; la section , la course et la vitesse de la pompe à air, la hauteur barométrique.
La description du générateur, la température de l’eau d’alimentation , la consommation d’eau et de charbon par heure.
Enfin, tout ce qui est de nature à influencer de façon ou d’autre les inductions qu’on peut tirer de l’examen du diagramme.
