B\. — PRINCIPALES APPLICATIONS DE V ÉLECTRICITÉ A L'INDUSTRIE MINIÈRE

Le courant électrique permet d’effectuer rapidement et économiquement tous les travaux que l’on demande habituellement à la vapeur ou à l’air comprimé.

Nous ne citerons que les principaux, ceux qui exigent des appareillages spéciaux pour la commande électrique et dont l’Exposition nous montre un certain nombre de types nouveaux et particulièrement intéressants.

a). — ÉPUISEMENT

On sait que les pompes d’épuisement diffèrent considérablement selon les circonstances.

S’il ne s’agit que d’un épuisement à faible hauteur, ne dépassant pas 12 m, on peut employer la pompe centrifuge qu’on accouple directement sur un électromoteur. Cependant, on emploie aussi quelquefois le système de pompes centrifuges conjuguées ou en série, par nombre de 2, 3, 4 et même davantage; dans ce cas, la seconde pompe, placée à 10 ou 12 m au-dessus de la première, aspire l’eau que refoule celle-ci, et ainsi de suite. Ce système donne de bons résultats, mais à la condition que tous ces divers éléments soient identiques et marchent rigoureusement à la même vitesse ; or, c’est là une condition que seul le moteur électrique permet de réaliser convenablement et économiquement.

Ainsi, supposons 4 pompes en série, le débit de 300 litres par minute et le refoulement de 43 m; on les actionne avec un moteur de 10 kw, par exemple, soit 120 volts et S0 ampères, faisant 1 600 tours, si on admet un rendement de 75 pour 100 pour les pompes.

Quand la hauteur d’épuisement est comprise entre 15 ou 30 m, on préfère généralement la pompe rotative. Mais, pour des profondeurs considérables, la pompe à piston s'impose et, dans ce cas, pour la commande électrique, on construit spécialement des pompes à quatre pistons plongeurs, dont trois pistons à eau et un piston d’équilibre des efforts.

Dans les charbonnages et quelques mines métalliques importantes, les pompes d’épuisement sont souterraines , et l’on s’efforce alors de les placer aussi profondément que possible, afin de n’avoir à actionner qu’une faible colonne d’aspiration. Or, les pompes à vapeur sont extrêmement coûteuses, car elles consomment, en moyenne, 10 à 12 kg de vapeur par chevalheure effectif, en eau élevée, pour une marche normale et continue. Cette consommation atteint 14 ou 15 kg si la machine ne fonctionne que pendant douze heures et 16 ou 18 pour dix heures seulement.

Elles ont d’ailleurs beaucoup d’autres inconvénients; c’est, d’abord, la dilliculté que présente toujours l’établissement d’une chambre souterraine spacieuse pour les recevoir; c’est encore l’encombrement des puits par les tuyauteries et les dommages causés par le passage des conduits de vapeur dans un compartiment particulier et, enfin, les pertes nombreuses, surtout pour les arrêts.

Les pompes électriques ont un meilleur rendement, elles sont plus simples d’installation et n’exigent pas un emplacement spécial et considérable. Mais leur commande est difficile, car les pompes, en général, marchent à des vitesses beaucoup moindres que celles des électromoteurs.

Le problème immédiat que se sont posé les constructeurs a donc été de fabriquer des

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pompes capables de fonctionner à grande vitesse tout en conservant un bon rendement avec le même coefficient de sécurité. On est à peu près parvenu à obtenir des engins simples et robustes, peu encombrants et dont la vitesse, de 150 à 300 tours, concorde avec celle- de l’électromoteur auquel dès lors ils peuvent être accouplés.

D’autre part, le mouvement du moteur électrique étant uniforme, il est nécessaire que la machine d’épuisement elle-même ait un débit régulier ; on a obtenu ce résultat en la composant de trois corps de pompe à simple effet commandés par un arbre muni de trois coudes à 120°, ou bien encore en employant deux systèmes, conjugués à 90°, de pompes différentielles, du type Riedler.

En somme, l’étude et la solution du problème d’épuisement des eaux dans une mine, en outre de la question assez complexe des profondeurs, sont assez compliquées. Il faut encore observer que, si la venue d’eau est constante, la pompe rencontre plus de facilités pour marcher uniformément, à une vitesse peu variable ; dans ce cas, il n’y a aucune difficulté à relier directement l’électromoteur à la canalisation électrique souterraine.

Si, au contraire, la venue d’eau varie beaucoup, on est obligé soit d’arrêter la pompe de temps en temps, soit de réduire la vitesse en introduisant des résistances dans le circuit, soit encore, ce qui est préférable, de faire usage d’une génératrice spéciale de courant avec des conducteurs séparés.

La solution la plus avantageuse est évidemment celle qui consiste à utiliser directement la ligne souterraine ; malheureusement, elle n’est pas toujours d’une application aisée.

De tout ce qui précède, il résulte qu’on ne saurait donner de règles précises pour la commande électrique des pompes et que chaque cas nécessite une étude spéciale.

Le seul point sur lequel tout le monde s’accorde, c’est que le démarrage de Pélectromoteur doit absolument se faire dans la mine même et les raisons en sont nettement données par MM. Siemens et Halske, dans le journal Die Electricilat in Bergbau , qu’ils ont publié pendant l’Exposition universelle de Paris :

« Si l’on considère, disent-ils, que l’arrêt n’est en définitive qu’une réduction de la vitesse à zéro et le démarrage un accroissement de la vitesse, il est néanmoins avantageux de munir Pélectromoteur d’anneaux frotteurs ou d’un rhéostat de démarrage. Le prix d’achat ne sera que de très peu plus élevé que celui d’un moteur à induit fermé ; par contre, cette disposition présente une plus grande sécurité, car le mécanicien peut arrêter de suite son moteur, tandis que, dans l’autre cas, il est obligé de faire des signaux à la station centrale, d'où résultent une perte de temps et des inconvénients qui peuvent devenir sérieux.

« En outre, si plusieurs pompes sont alimentées par une même génératrice, cette dépendance peut causer de graves embarras ; supposons, par exemple, qu’une pompe étant en service, on veuille en mettre une seconde en marche, il faudra commencer par arrêter la première, puis les mettre en mouvement simultanément.

« Or, cette complication est évitée lorsque chaque électromoteur de pompes souterraines est installé dans la mine avec un appareil de démarrage; on n’a plus alors à se préoccuper s’il est alimenté par la canalisation générale ou s'il est actionné par une génératrice spéciale. »

La Société Siemens et Halske construit, comme types courants pour pompes électriques, des moteurs W. D. dont les puissances varient de 50 à 700 chevaux, avec les vitesses suivantes : 242, 224, 208, 194, 182, 162, 145, 132, 121 et 95 t : m. Ces valeurs s’entendent pour les vitesses des moteurs fonctionnant à pleine charge avec des courants triphasés d’une fréquence de 50 périodes.

En général, les vitesses élevées se rapportent à des moteurs de faible puissance et les petites vitesses aux grands moteurs. Toutefois, chacun des modèles courants est adaptable aux autres vitesses, dans certaines limites ; ainsi un moteur de 80 chevaux peut marcher à l'une des vitesses comprises entre 242 et 145 tours; mais le moteur de 500 chevaux et au-dessus peut être disposé pour marcher à l’une quelconque de ces vitesses.

Les anneaux frotteurs fixés sur l’axe de la partie mobile de l’électromoteur et servant à

établir la communication avec le rhéostat peuvent être entourés d’une boîte étanche lorsque cette prolection est nécessaire.

Les types de pompes à commande électrique exposés, en 1900, par des maisons ou Sociétés de construction étaient assez nombreux. Nous en décrirons quelques-uns seulement.

Pompe Ganz, de Budapest. — La pompe électrique de la maison Ganz, de Budapest, est à trois plongeurs; elle fait 72 tours et élève 900 litres d'eau par minute.

Le diamètre des corps de pompe est de 0,17 m et la course de 0,21 m.

Le mouvement est communiqué par un électromoteur triphasé de 12 chevaux, muni d'anneaux de prise de courant et tournant à raison de 800 révolutions par minute.

Ce moteur porte un pignon à dents de cuir de 27 mm qui engrène avec une roue de 73 mm ; celle-ci est montée sur un arbre intermédiaire servant de réducteur de vitesse. L’arbre est muni à son autre extrémité d'un pignon qui met en mouvement une roue d’engrenage fixée sur l’axe des manivelles des corps de pompe.

Le tout fonctionne sans bruit et dans de bonnes conditions de sécurité; la construction des divers organes est robuste et le rendement semble devoir être satisfaisant.

La pompe et son moteur sont disposés sur un socle de 3,03 m X 1,60 m, la hauteur maximum est de 1,43 m. L'ensemble occupe donc un espace restreint.

Pompes souterraines des mines de Garmaux. — Des pompes électriques ont été installées

dans les trois puits de la Grillatié , de la Tronquié et de Sainte-Marie.

De la sous-station de la surface part un câble armé, à haut isolement, qui amène le courant à 5 000 volts dans une chambre souterraine aménagée pour cet objet et divisée en deux parties : dans l'une sont établis les transformateurs qui abaissent la tension de tout le courant destiné à être utilisé dans la mine, l'autre est réservée à la pompe d’épuisement avec les appareils de manœuvre et de mesure qu’elle comporte.

Dans chaque pompe, les pistons plongeurs de trois corps horizontaux, à simple effet, sont actionnés par un arbre trois fois coudé qui porte, à l'une de ses extrémités, une roue d'engrenage attaquée directement par le pignon de l’électromoteur.

Les pompes de la Grillatié et de Sainte-Marie refoulent chacune 60m:i d’eau à l’heure, à une hauteur de 220 m qui, le cas échéant, est susceptible d’être portée à 300m.

La pompe de la Tronquié élève 10 m3 à la hauteur de 330 m et éventuellement de 400.

La figure 6 indique l’installation de la pompe au puits de la Grillatié. Au niveau de l’étage 206 est ouvert un tronçon de galerie, de 2,30 ni de hauteur, 2,50 m de largeur et 7,30 m de longueur, qui débouche dans une chambre mesurant 8 m de longueur, 3,50 m de largeur et 2,50 m de hauteur. Cette chambre est divisée en deux compartiments : dans l’un se trouvent les transformateurs T, le rhéostat R et le câble armé qui amène le courant; dans l’autre se trouve la pompe d’épuisement avec les tuyaux d’aspiration et de refoulement.

La surface occupée par la pompe est de 6,50 m2 et la hauteur maximum est de 1,50 m.

Pompe Galland, de Chalon-sur-Saône. — La maison Galland construit des pompes électriques, â rotation, â trois plongeurs, pour refoulements jusqu'à 300 m, et dont la puissance varie de 8 à 100 chevaux.

La figure 7 indique le mode d’installation d’une pompe souterraine présentant les caractéristiques suivantes :

Débit à l’heure . .

Hauteur d’élévation .

Diamètre des plongeurs .

Course — .

Puissance de l’électromoteur .

Nombre de tours de la pompe

Rapport des engrenages . .

Diamètre des tuyaux .

100 m3 200 m 180 mm 350 mm 100 chevaux

150 mm

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Le moteur est à courant triphasé et l’arbre des bielles des pompes porte un volant régulateur.

Elévation Coupe

J'y ai o | J J /‘J 1 1 (t-n t fit t

Fig. 6. — Pompe d’épuisement des mines de Carmaux.

Tous les principes signalés plus haut pour les dispositifs de la pompe et de l'électromoleur ont été rigoureusement observés.

Pompe Express Riedler (Allemagne). — La pompe Riedler, à piston plongeur, présente une disposition particulière dans les soupapes. La soupape d'aspiration, placée autour du piston,

se compose d'un simple anneau en métal ou en bois avec armature métallique; son siège est

Fig. 7. — Pompe électrique Galland.

maintenu en place par des tiges qui servent de guides pour le mouvement. La soupape de refou-

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lement se compose d’anneaux reposant sur le siège de la soupape et chargés par dos ressorts en caoutchouc. Ces anneaux sont d’un remplacement très facile.

Pour un débit de 1 100 litres et une hauteur de refoulement de 270 m, la pompe est commandée par un moteur asynchrone triphasé de 75 chevaux, tournant à 290 t : m, sous la tension de 190 volts, la hauteur d’aspiration pouvant atteindre 5 m.

Fig. 8. — Pompe Riedler installée à la mine Ferdinand Grube (Silésie).

A, pompe en fonctionnement depuis 1890. — B, emplacement pour recevoir une seconde pompe semblable. C, tableau de distribution. — D, rhéostat. — E, régulateur.

La ligure 8 représente l’installation d’une pompe express Riedler, construite par la Maschmenbau-Anslalt C°, de Breslau, pour l’épuisement des eaux de la mine Ferdinand Grube , en Silésie. Elle est placée dans une galerie souterraine.

Le débit est de 5 500 litres par minute, la hauteur de refoulement 300 m et la vitesse angulaire de 145 t : m.

La pompe fut essayée préalablement aux ateliers de Breslau, dans des conditions correspondant à celles qu’elle devait remplir à la mine. La vitesse de 145 tours fut ensuite augmentée graduellement jusqu’à 210, sans que cet effort extraordinaire causât le moindre dérangement. Une fois installée, elle a fonctionné deux ans, sans interruption, pendant vingt-trois heures chaque jour.

Pompe Ehrhardt et Sehmer (Allemagne). — La pompe Ehrhardt et Sehmer, à commande électrique, comprend trois pistons à plongeurs, à simple effet, qui reçoivent le mouvement d’un arbre à trois manivelles ; le même arbre actionne une petite pompe aspirant de l’huile dans une auge, formée par la partie inférieure du bâti, pour la refouler dans un système de conduits qui la distribuent aux divers organes à lubrifier.

Pour une pompe refoulant 1 000 à 1 200 litres d’eau par minute, à une hauteur de 250 à 350 m, les pistons ont un diamètre de 105 mm et une course de 200, leur vitesse angulaire est de 200 à 250 1 : m ; elle est actionnée par un électromoteur triphasé de 75 chevaux, sous la tension de 500 volts.

Pompe Haniel et Lueg. — Citons, pour terminer, la pompe Haniel et Lueg, installée depuis 1897 aux charbonnages Zollverein, en Westphalie. C’est un groupe de deux pompes différentielles conjuguées, type Riedler; l'arbre est mû directement par un moteur électrique triphasé, formant volant, alimenté par des courants à 1 000 volts.

La mise en marche du moteur s'opère directement de la surface en même temps que la génératrice, par excitation de celle-ci au moyen d’une dynamo à courant continu.

Le rendement de cette pompe est jr 0,655 :

T,., — travail en eau élevée ;

T„, — travail indiqué au moteur.

La machine motrice est une compound-tandem verticale ; elle attaque directement la dynamo à 142 tours et consomme 7 kg de vapeur par cheval indiqué. La consommation est

donc jyyrrp == 10,65 kg de vapeur par cheval-eau élevé.

b). — EXTRACTION

[/introduction du courant électrique dans l’exploitation des mines n'a modifié en aucune façon la construction des treuils et machines d’extraction proprement dits.

ün a simplement substitué la commande électrique à la vapeur ou à l'air comprimé.

Cette substitution a été tout d’abord hésitante, car le service de l’extraction constitue, pour ainsi dire, la cheville ouvrière d’une exploitation et toute perturbation dans son fonctionnement, si minime qu’elle soit, est de nature à entraver ou paralyser les autres services et à provoquer de graves accidents.

ün comprend donc avec quelle réserve et quelle prudence cette application de l'électricité a été accueillie à ses débuts; aujourd’hui on va plus volontiers de l'avant, car on a reconnu les avantages et l’économie du précieux agent.

En effet, s’il est vrai que les machines à vapeur se prêtent assez bien aux multiples exigences de l’extraction et présentent une certaine sécurité d’emploi, c’est aux dépens d'une consommation énorme de vapeur, avec une grandecomplication d'organes et par une rigoureuse surveillance de chaque instant. L’effort à vaincre pour la montée et la descente étant à tous moments variable et nécessitant par intermittence de grands afflux de vapeur, on ne peut employer la condensation que si l’on dispose de grandes surfaces refroidissantes et d’eau en quantité suffisante; de plus, l’économie qui résulterait de la répartition de la détente sur plusieurs cylindres n’est pas applicable.

ün sait encore que, pour la mise en marche, le mécanicien est obligé d’ouvrir complètement le robinet d’admission, afin de réduire autant que possible la période d’accélération ; puis, lorsque après quelques tours l’ascension va se terminer, la force vive qu'on a développée doit être absorbée par le frein ou par une marche à contre-vapeur.

Quant à emmagasiner et mettre en réserve l’énergie produite par la descente, on ne l'a jamais fait, car, seule, l’électricité peut en fournir les moyens par l'intermédiaire des accumulateurs.

Et ce n’est pas tout. Il faut que les cages s'arrêtent aux recettes sans secousses, qu’en

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arrivant au jour leur vitesse soit amortie assez à temps pour qu’elles ne risquent pas d’être enlevées jusqu’aux molettes ; en un mot, il est de toute nécessité que la vitesse soit modifiable ou suppressible à volonté.

La montée aux molettes est une cause d’accidents graves; on ne saurait la prévenir d’une façon certaine qu’en coupant automatiquement l’admission de vapeur, dès que la cage approche de la partie supérieure ; mais cette solution, si simple en apparence, est d’une réalisation fort difficile et on est obligé d’y suppléer par l’adoption de palliatifs, tel que : avertissements , sonneries , appareils spéciaux dits évile-molelles , etc.

Or, cette difficulté disparait avec l'usagedes électromoteurs, car on peut toujours supprimer automatiquement et immédiatement le courant au moment voulu.

La commande électrique a bien d'autres avantages ; elle permet de régler l’extraction avec toute la précision désirable, d’augmenter ou de ralentir à volonté la vitesse, d’arrêter la marche des cages sans chocs et presque instantanément.

De plus, comme la vitesse de l’électromoteur, continu ou triphasé, est déterminée par la tension du courant et la fréquence, son emballement n’est pas à redouter, puisque, dès que la vitesse dépasse une certaine limite, le moteur fonctionne comme une simple dynamo génératrice de courant. Enfin, la mise en marche aussi bien que les arrêts s’effectuent sans chocs.

Quand les machines d’extraction à vapeur sont éloignées des chaudières, il faut faire usage de longs tuyaux de conduite; ceux-ci, outre qu'ils occasionnent de grandes pertes, par suite des condensations inévitables, présentent les plus sérieux inconvénients au point de vue de la sécurité, car ils sont exposés aux fuites, aux ruptures, etc. Il y a loin de ces difficultés de transport de la vapeur aux facilités et à la sécurité que procure la transmission du courant électrique au moyen de simples câbles conducteurs.

Les treuils à commande électrique peuvent être contrôlés à distance et le mécanicien-électricien tient lui-même sous sa surveillance immédiate tous les mouvements qui, dans le cas d’un treuil à vapeur, dépendentde signauxdonnés par une autre personne, lesquels peuvent échapper à son attention ou êLre mal interprétés.

Il est bien évident que, si le treuil électrique est placé à une certaine distance de l’usine génératrice, le courant polyphasé s’impose; le courant continu, au contraire, peut être adopté toutes les fois que le puits d’extraction esta proximité.

Le courant continu a d’ailleurs certains avantages particuliers bien connus et au sujet desquels il est inutile de revenir; il permet, en outre, d’utiliser les énergies perdues pour charger des accumulateurs et ceux-ci fournissent le moyen de corriger les variations de charges et de marcher à charge constante. Cette opération se réalise sans dépense sensible, puisque la batterie d’accumulateurs, ce réservoir d’énergie, est chargée par le travail même des treuils.

L’électromoteur s’accouple directement au treuil dans les grandes installations ; dans les petites exploitations, on intercale un ou deux jeux d’engrenages.

Le treuil de Carmaux (( fig . 9) reçoit son mouvement d’un électromoteur, par le moyen d’un arbre intermédiaire et de deux paires d’engrenages. Le bâti qui supporte le tambour et son moteur est formé de deux parties démontables, ce qui a permis de le descendre facilement dans les puits et de lui faire traverser les galeries.

Le pignon de l'électromoteur est en cuir et la roue correspondante en acier; l’un et l’autre sont à denture droite, le second jeu d’engrenage est à denture à chevron.

Un commutateur unique dit inverseur permet d’obtenir, par la manœuvre d’une simple manette, le démarrage, l’arrêt et la marche arrière du tambour.

Comme mesure de sécurité, le tambour porte un frein à pédale normalement serré.

Le treuil de Carmaux a une puissance de 10 à 15 chevaux ; ses dimensions d’encombrement sont :

Longueur Largeur. .

Hauteur .

En général, pour tous les petits treuils, la commande de mise en marche, d’arrêt et de

Elévation longitudinale

renversement se fait à l’aide d’un seul et unique levier; mais elle est beaucoup plus compliquée dans les grandes installations.

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Ainsi, par exemple, la machine d’extraction* à courant alternatif de 400 chevaux, la plus puissante construite jusqu’à ce jour, pour le puits Erzherzog Albrecht, des mines de Karwin à Peterwald (Silésie autrichienne), qui sert à la fois à l’extraction et au transport des ouvriers* est munie d’appareils de sécurité spéciaux et présente les particularités suivantes :

1° Le levier de marche ne peut être actionné que lorsque le levier de renversement se trouve dans sa position extrême et non dans une position neutre moyenne;

2° Le levier de renversement ne peut se déplacer que lorsque le levier de mise en marche est hors circuit et jamais après qu’il a provoqué le mouvement du tambour ;

Fig. 10. — Machine d’extraction du puits Krzlierzog Albrecht, à Peterwald (Silésie autrichienne).

3° Un indicateur de profondeur actionne le levier de marche, quand la cage est à 40 m du sol, de façon à le faire mouvoir en arrière, c’est-à-dire à arrêter la machine automatiquement ;

4° Un seul levier à pédale permet d’arrêter les^deux^freins, chacun à quatre sabots, du tambour, ainsi que le frein à ruban, destinéj(à”paralyser la grande force d'impulsion de l’induit ;

5° La chute d’un contrepoids du frein met le moteur hors circuit automatiquement;

6° S’il se produit une rupture de conducteurs ou que les plombs de sûreté viennent à fondre, les contrepoids tombent et la machine s'arrête automatiquement, par suite du serrage instantané du frein ;

7° Si la cage tend à dépasser la recette du jour, Y indicateur de 'profondeur t dégage par une butée un poids qui provoque le serrage automatique du frein et qui,’ en outre, (met le moteur hors circuit à l’aide d’un interrupteur spécial.

Le moteur a été construit par MM. Siemens et Halske; sagpuissance est telle qu’il peut

\ . L Électricité dans l'industrie minière, par M. \V. Vendeling, ingénieur en chef de la Société Siemens et Halske, {Rapport présenté au Congrès International des Mines et de la Métallurgie, en juin 1900.) "

soulever la cage chargée et non équilibrée; elle équivaut, par conséquent, à la somme des poids de la cage et des wagonnets et du poids utile, diminuée du poids du câble. La commande a lieu par engrenage, une petite roue dentée en bronze et une grande en acier fondu (/?//. 10).

Les données principales sont :

Poids utile maximum par cage . 2 800 kg

Vitesse maximum d’extraction . 4,5 m

Profondeur du puits . 225 —

Diamètre des tambours . 3,5 —

Largeur — . 1,4- —

Vitesse angulaire du moteur de commande . 150 tours

Puissance de la machine en chevaux . 400 chevaux

Tension du courant triphasé . 12 000 volts

Longueur totale de la transmission . 9 000 m

En résumé, l'extraction électrique présente plusieurs particularités d’un grand intérêt pour l’industrie des mines.

D’abord, elle donne un travail très régulier en corrigeant toutes les variations si fréquentes de charge, et ce résultat est acquis par l’intercalation de résistances convenables ou encore en emmagasinant les énergies perdues dans une batterie d’accumulateurs.

En second lieu, elle se prête aisément aux changements de marche par le simple renversement du courant à l’aide d’un levier-commutateur; celui-ci étant relié lui-même au frein dans le but de prévenir toute cause d’accidents.

Enfin, les emballements du moteur ne sont plus à redouter et on obtient son arrêt presque instantané, automatiquement et sans chocs.

c). — PERFORATION MÉCANIQUE

La perforation mécanique s'effectue avec deux catégories d’appareils :

1° La 'perforatrice rotative , pour roches tendres et demi-dures;

'±n La ‘perforatrice à percussion, pour roches dures.

La transmission par le courant électrique d’un mouvement de rotation s’effectue sans aucune difficulté au moyen d’un électromoteur ordinaire; mais le mouvement de va-et-vient qui caractérise la perforatrice à percussion ne peut s’obtenir par le courant qu’à la condition d’employer des moteurs spécialement agencés pour cet objet. C'est ce dernier outillage que nous allons étudier et, plus particulièrement, les perforatrices à percussion exposées par la Société allemande Siemens et Halske, la maison française C. Bornet et la Société américaine General Electric , représentée à l'annexe de Vincennes par la Société française Thomson- Houston.

Perforatrice électrique à percussion. — Le mouvement de va-et-vient du fleuret percutant est obtenu au moyen d’un courant alternatif qui agit successivement sur deux solénoïdes entre lesquels se meut une pièce de fer forgé. Cette pièce, sorte de piston, commande le porteoutil d’une part et, de l’autre, une tige à rainures hélicoïdales, dont le déplacement imprime au fleuret le mouvement rotatif dont il a besoin pour se dégager et pour donner au trou de mine la forme cylindrique.

L’appareil est porté sur un tripode, une colonne ou un affût, selon que le travail doit être exécuté en carrière ou en galerie.

Toutes les perforatrices électriques sont basées sur ce principe, dont la conception est due à Werner Siemens, le fondateur de la célèbre maison allemande Siemens et Ilalske, qui a réalisé tant de progrès dans les applications du courant électrique aux travaux des mines.

La perforatrice à solénoïdes, brevetée en 1079 par AV. Siemens, est composée de trois

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bobines qui reçoivent un courant alternatif et communiquent un mouvement de va-et-vient à un noyau de fer doux ; deux bobines, aux extrémités, changent de pôles par le passage d’un courant polyphasé après chaque demi-période, tandis que la troisième bobine, placée au milieu, est traversée par un courant continu.

La figure L1 est un schéma de la perforatrice à solénoïdes.

Malgré ses nombreuses imperfections, cet appareil eut un certain succès en Amérique, où il avait été introduit, avec quelques modifications, par l’ingénieur hollandais Van de Poele. 11 fut un peu plus tard perfectionné par l’ingénieur américain Marvin, qui supprima le solénoïde central.

Fig. H.

Schéma de la perforatrice à solénoïdes.

E, porte-outil. — NS, tige de fer doux. — A, C, solénoïdes des extrémités. — B, solénoïde central. — /', ressort de rappel du porte-outil.

MAAAAM . . -AAAAAAAA

Fig. 12. — Schéma de la perforatrice Marvin.

Fig. 13. — Schéma de la perforatrice Van de Poele.

La dynamo employée par Marvin pour actionner sa perforatrice est à courant alternatif. L’induit est formé de bobines en série dont les extrémités aboutissent à deux balais b 1 et ô3 fixés sur un demi-cercle métallique. Celui-ci est disposé à l’intérieur d’un cylindre portant un balai b- [fîg. 12) relié au tilde connexion des deux solénoïdes. Grâce à cette disposition, le courant alternatif passe successivement dans chaque solénoïde et l’outil reçoit un mouvement de va-et-vient. Mais, comme ce mouvement est de même intensité dans les deux sens, il en résulte une dépense d’énergie qui est beaucoup trop grande pour le retour du porte-outil et, par suite, des chocs violents contre le ressort de rappel.

L’agencement préconisé par Van de Poele est le suivant. Le porte-outil glisse dans un manchon qui porte deux bobines à gros fil reliées entre elles par une bobine à fil fin; la machine qui fournit des courants alternatifs et des courants oscillatoires est une dynamo à courant continu avec deux balais fixes B, B' et deux balais tournants b et b' calés à 180° l’un de l’autre (/?#. 13).

Le solénoïde à fil fin est relié aux balais B et ô, et les deux balais mobiles b et b' sont en connexion avec les solénoïdes à gros fil. Avec cette disposition, on envoie un courant alternatif dans les deux solénoïdes extrêmes et un courant ondulatoire toujours de même sens dans le solénoïde central Sc qui les relie.

Quand le balai mobile b occupe la position B, le courant ondulatoire est nul; celui-ci est maximum quand b est en B' pour redevenir nul en B.

Le mouvement d’aller est donné par le solénoïde S et celui de retour par les deux autres On obtient ainsi un choc percutant très violent et un rappel très doux avec une faible dépense d’énergie.

Le manchon des solénoïdes porte un ressort à chaque extrémité pour amortir les chocs dans les deux sens.

Malgré sa supériorité théorique, la perforatrice Van de Poele est moins pratique que celle de Marvin, parce qu’elle s'échauffe beaucoup plus par hystérésis et par l'effet des courants de Foucault, de sorte que la bobine' à fil fin s’échauffe, brûle et demande fréquemment à être renouvelée.

Perforatrice de la « General Electric G0 », — Le type le mieux réussi des perforatrices électriques à solénoïdes est celui de la Société américaine General Electric de New- York.

Les deux solénoïdes sont placés à la suite l'un de l’antre dans un manchon protecteur en fer, armé de têtes en acier fondu solidement boulonnées qui maintiennent les bobines en position et en même temps servent de support au mécanisme de rotation, au piston, aux coussinets, etc.

Le piston en acier qui glisse entre les solénoïdes est terminé par des pièces .de bronze, dont l’une reçoit le porte-outil, tandis que l’autre est munie d'une hélice qui permet de communiquer à l’ensemble un mouvement de rotation. Cette seconde pièce est engagée dans un chapeau à rebords sur lesquels s’appuie un solide ressort à boudin destiné à amortir les chocs de retour et faciliter le rappel du fleuret adapté au porte-outil.

L’avancement est obtenu à l’aide d’une vis, d’un écrou et d’une manivelle [fig. 14).

Le courant est amené par un câble souple à trois fils que l’on fixe à la face supérieure de l’appareil par un serrage à vis; sur le côté opposé est un collier de raccord avec un tripode ou un affût.

La dynamo spécialement destinée à la manœuvre de la perforatrice produit indifféremment du courant continu et du courant alternatif de faible fréquence.

Le courant alternatif est envoyé dans un électro-aimant, de façon que dans le temps t il passe dans le solénoïde A, et du temps t au temps çlt dans le solénoïde B. Dans ces conditions, le noyau ou piston placé entre les deux solénoïdes prend un mouvement de va-et-vient en conservant une aimantation de polarité constante.

Il est évident que le courant alternatif est plus avantageux , car il ne peut donner lieu qu’à

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de très faibles étincelles, tandis que le courant continu en produirait de très violentes à chaque renversement de courant.

La dynamo est construite comme pour le courant continu ordinaire ; elle est tétrapolaire, et son induit est enroulé en tambour. Deux spires opposées étant reliées en tension, on recueille sur le collecteur I [fiy. 15), avec deux balais calés à 90°, du courant continu à 220 volts qui sert à l’alimentation des conducteurs et peut, en outre, être utilisé pour l’éclairage.

11 faut ensuite transformer le courant continu en courant alternatif, puis opérer la commutation de ce dernier d'un solénoïde à l’autre aux instants mêmes où il s’annule. Et, comme on veut faire battre à l’outil 400 coups par minute, la fréquence du courant alternatif produit doit être très faible. On obtient ce résultat en réunissant les spires de l'induit à un second collec¬

teur Il dont chaque touche correspond à un angle deux fois plus grand que le groupe de spires correspondantes et qui, par conséquent, doit posséder deux fois moins de touches que le collecteur I de courant continu.

Il est facile de comprendre, en effet, que le courant recueilli par les balais du collecteur 11 est du courant alternatif de fréquence deux fois plus faible que celui qui serait fourni par l’induit relié en deux de ses points à deux bagues collectrices.

On obtient ce courant alternatif avec une force électromotrice de 220 volts et une fréquence égale au nombre de tours de l’induit par seconde, grâce à l’artifice suivant :

Le collecteur II comporte N lames calées à l’angle ^ ; le collecteur I en a 2N calées à

,1 , 2tt

1 angle gjÿ’

Les lames 180° du collecteur 1 sont reliées à une lame du collecteur IL

Dans ces conditions, si n désigne le nombre de lames passant sous les balais an' pendant

une seconde, la vitesse angulaire sera égale à —n, eL comnie les vitesses angulaires des deux

lïï-30

collecteurs I et II sont égales, il en résulte que sous les balais h , b' passeront :

h : •^r = ^ lames par seconde.

C’est donc comme si, doublant le nombre de lames du collecteur II et calant les balais à 90°, on faisait tourner ceux-ci dans le même sens que l’induit avec une vitesse moitié moindre ; or l’on sait qu’en faisant tourner les balais d’une machine à courant continu on obtient du courant alternatif.

Puisque les balais tournent avec une vitesse égale à la moitié de celle du collecteur, le nombre des périodes du courant par tour est égal à la moitié du nombre de paires de pôles. La dynamo étant tétrapolaire, le courant accomplira donc une période par tour et sa fréquence, pour 400 révolutions de l’induit par minute, sera :

Enfin, pour utiliser ce courant alternatif, le balai b est relié par l'intermédiaire d’un frotteur et d une bague collectrice à l’une des demi-bagues A du collecteur III sur lequel frottent deux balais à 180°.

Des fils venant des balais c,, c' vont former un enroulement compound autour des inducteurs et aboutissent aux bornes D et G des perforatrices ; la troisième borne B est reliée directement au balai b'.

L’utilisation du courant pour la perforatrice se fait ainsi :

Suivant que le frotteur appuie sur l’une ou l'autre des deux demi-bagues du collecteur III, le courant va à l’un ou l’autre solénoïde D et G, et les balais c et c' sont disposés de telle manière que la commutation produite dans le frotteur à cheval sur la séparation des deux demibagues ait lieu au moyen de l’annulation du courant alternatif. Autrement dit, le courant change de sens au moment où l’intensité est nulle, c’est-à-dire à l’instant où la commutation se fait sans étincelle.

Le compoundage des inducteurs a pour elîet de supprimer les étincelles aux balais a\b’ , en renforçant le champ au moment précis de l'augmentation de la charge.

Ces dynamos spéciales se construisent pour batteries de 2, 4, 6, 8 et 10 perforatrices.

Données principales des dynamos télrapolaires à 400 révolutions :

Puissance de la dynamo. Poids. Nombre de perforatrices.

6 kilowatts

1 000 kg

Poids de la perforatrice . . . . — de la colonne-affût. .

75 kg

— d'un tripode avec contrepoids .

— de 35 mètres de câble souple armé, à 3 conducteurs . .

Puissance en chevaux, par

perforatrice .

4 à 5 chevaux

La figure 16 représente une dynamo tétrapolaire de 18 chevaux pouvant actionner une batterie de six perforatrices.

Inconvénients des perforatrices électriques à solénoïdes. — Les perforatrices à solénoïdes sont simples de construction et de manœuvre, mais elles présentent d assez graves inconvénients.

D abord elles demandent à être actionnées par un moteur spécial, de sorte qu’on ne peut pas les intercaler dans un courant continu ou alternatif quelconque. En outre, elles ne trans-

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mettent au fleuret qu’une faible partie du travail qu’elles absorbent, le reste étant inutilement transformé en chaleur; leur rendement est donc faible, de sorte qu’elles donnent de mauvais résultats en roche très dure, où, contrairement au cas des roches de moyenne dureté, qui demandent un battage fréquent, il faut un battage plus lent, mais très puissant.

Une bonne perforatrice à air comprimé, Éclipse ou Ingersoll, pour roches très dures, ne bat que 300 coups, mais avec une force estimée à 340 ou 350 kg environ.

D'autre part, l’outil absorbe une si grande quantité de chaleur qu’il faut le changer toutes les deux ou trois heures et même, malgré cette précaution, les bobines brûlent fréquemment.

Un autre inconvénient à signaler, c’est qu'il y a souvent coinçage dans le trou de mine, parce que la force de rappel de l’outil est insuffisante; pour dégager le Ueuret, l’ouvrier doit frapper à coups de marteau.

Ajoutons encore que les chocs répétés finissent par donner aux pièces de bronze une texture cristalline qui les rend cassantes.

Actuellement, on tend à délaisser la perforatrice à solénoïdes, lorsqu'il s’agit de travaux en roches dures, et on lui préfère les appareils où le courant électrique, agissant simplement comme force motrice, communique le mouvement au porte-outil par l’intermédiaire de cames ou de ressorts. Dans le premier cas, la percussion est donnée par un piston à came (perforatrice Dulait) ; dans le second cas, on constitue une sorte de marteau-frappeur, dont les battages sont allongés par l’élasticité de ressorts métalliques (perforatrice Siemens), ou avec chambres d’air formant ressorts (perforatrice Bornet).

Perforatrice Dulait. — La perforatrice électrique à percussion Dulait se compose d’un manchon traversé par le piston porte-outil et continué à l’arrière par une longue tige filetée; celle-ci est munie d’un écrou à glissière portant un galet G qui bute contre une came C à laquelle on imprime un rapide mouvement de rotation ( fig . 17).

A sa partie antérieure, le manchon est armé d’un ressort P qui est comprimé par le mouvement de la came et provoque ainsi le va-et-vient du porte-outil.

Pour amortir les chocs de la came sur le galet, l’arbre de la came porte un volant régulateur V formé de deux parties réunies entre elles par des ressorts.

Comme on le voit, le mouvement de percussion seul est automatique, le double mouvement d’avancement et de rotation du fleuret s’opère au moyen d’un volant à main M et du pas de vis P, le moyeu du volant est muni d’une cale longitudinale qui s’engage dans une rainure de l’extrémité filetée du porte-outil et peut tourner avec lui.

La came motrice est calée sur un arbre qui, par l’intermédiaire de pignons R et R', reçoit son mouvement d’un flexible, et celui-ci est actionné par un petit moteur électrique porté sur un truck distinct de la perforatrice ou sur l’affût de celle-ci ( fiy . 18).

Fig. \~i. — Perforatrice Dulait.

Le flexible s’échauffe beaucoup, il doit être très surveillé ; de plus, il convient de le maintenir, autant que possible, en ligne droite.

Le moteur tourne à 1 300 tours et se construit indifféremment, selon les circonstances de la mine, pour courant continu ou alternatif. Avec une génératrice de 120 volts, sa tension est de 00 à 93 à la distance de 2 500 m (charbonnages belges de Courcelles, Nord), avec un câble de 20 mm2 de section.

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La puissance consommée par la perforatrice est :

I2a X 90v = 1,08 kw,

soit J, 5 cheval environ.

Le type de perforatrice qui convient aux roches de dureté moyennne pèse avec l'affût 130 kg et bat 420 coups à la minute, avec un ressort de 80 kg et un moteur de 1,3 cheval.

La perforatrice pour roches dures pèse 267 kg et bal 400 coups, avec un ressort de 120 à 180 kg et un moteur de 4 chevaux.

Les perforatrices à cames présentent des inconvénients ; si on décompose le mouvement, on voit que la came, en agissant sur le galet, repousse en arrière le porte-outil, lequel, chassé par le ressort, revient en avant dès que la came a changé de sens. Or, si la perforatrice a son ileurct dirigé vers le bas, le poids du piston porte-outil agit dans le même sens que le ressort

Fig. 18. — Batterie de deux perforatrices « Dulait-Forget ■>.

dont il favorise ainsi l'action. Si, au contraire, la perforatrice travaille vers le toit, les deux effets se retranchent et le résultat n'en est plus que la différence. La perforatrice à cames travaille donc moins bien de haut en bas, ce qui est un défaut capital dans les opérations de perforation en galeries.

D’autre part, son fonctionnement exige un synchronisme absolu entre le mouvement de la came, c'est-à-dire du moteur, et le mouvement propre du porte-outil lorsqu’il est repoussé par le ressort; sinon il se produit des contre-coups entre la came et le galet, qui, dès lors, s’use rapidement.

Enfin, si le fleuret bat à vide dans une fente ou crevasse accidentelle, ou encore s’il resté coincé, il se produit une rupture, à moins que le moteur ne s’arrête sur-le-champ.

Perforatrice à came-manivelle Siemens et Halske. — MM. Siemens et Halske ont cherché à remédier à toutes ces défectuosités.

Leur perforatrice, qu’ils appellent encore marteau à ressort , comprend une longue vis f et une manivelle qui sert à l’avancement du chariot cc [fiy. 19). Entre les extrémités de ce chariot sont bandés deux puissants ressorts à boudin, d une force de 800 kg, et disposés de telle façon qu'à la compression de l une correspond la détente de l’autre, par l'interposition, entre les deux, d'une bride d qui commande le porte-outil e.

Le mouvement de va-et-vient est donné par une petite manivelle à bouton b , qui joue le rôle de la came dans la perforatrice Dulait. Elle est commandée par des engrenages et le bouton

Fig. 19. — Perforatrice à percussion Siemens et Halske.

actionne une boîte en bronze i ajustée à l’arrière du chariot; le déplacement du chariot est de 0,04 m ; mais, comme il se produit à grande vitesse, 7 coups par seconde, le porte-outil, sous

l’effet des ressorts et de la masse, est lancé jusqu’à 0,07 m et même 0,0R m.

La rotation du fleuret est automatique et s’effectue à l’aide d’un écrou à rochet et d’un filet de vis hélicoïdale, tracé sur l’arrière du piston porte-outil.

Le moteur, qui commande les engrenages par un flexible ajustable sur la tête B, est la partie la plus intéressante de l’appareil. C’est une petite dynamo ordinaire logée dans une caisse portative à laquelle on ajuste le flexible de la perforatrice, et qu’on met en connexion avec la ligne de la mine par l’intermédiaire d’une boîte de prise de courant et d’un tambour à câble \fig. 20).

Suivant les circonstances et la nature des courants dont on dispose à la mine, on fait usage d’un moteur à courant continu ou à courant triphasé ( fig . 21 et 22). On combine les engrenages pour telle ou telle vitesse, de sorte que la perforatrice peut être actionnée par un courant quelconque emprunté à un réseau quelconque, d’éclairage ou de transmission d’énergie.

Dans le cas du courant continu, les tensions qui conviennent varient de 110 à 220 volts, avec 50 périodes par seconde ; si le courant est alternatif, il doit être de 120 ou 210 volts avec le même nombre de périodes, 50 par seconde.

Il ne faut pas dépasser 210 volts, avec un courant triphasé, une tension supérieure pouvant être dangereuse pour des appareils aussi faciles à déplacer que les caisses de moteur.

Fig. 20. — Moteur électrique commandant la perforatrice Siemens et Halske.

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Si donc le courant dont on dispose est à trop haute tension, on le réduit à 120 volts à l’entrée du chantier au moyen d’un transformateur.

La variation de courant ne dépasse pas 50 pour 100 avec le moteur à courant continu et 10 pour 100 avec l’autre; il importe, pour le bon fonctionnement d’une perforatrice à percussion, que le battage des coups ne varie pas de plus de H pour 100.

Fiu. 21. — Moteur à courant continu dans sa caisse.

Données de la perforatrice Siemens-Halske :

Poids du moteur et de sa caisse . HO kg

— de 2,50 m de üexible . 25 —

— de la perforatrice seule . 90 —

— du volant . 20 —

Nombre de coups battus par minüte . 400 à 450

Puissance en chevaux . 2 chevaux

Il faut compter 12 chevaux pour une batterie de six perforatrices.

Cette machine est moins simple que celle de la General Electric C°, mais elle donne un meilleur rendement.

Fig. 22. — Moteur à courants triphasés dans sa caisse.

Pille travaille bien dans tous les sens, sans chocs nuisibles ; lorsque le fleuret se coince, il ne se produit pas d’arrêt, et le chariot exécute seul son mouvement de va-et-vient. Toutefois, les coincements sont rares, car l’outil reçoit à peu près la même impulsion à l'aller comme au retour.

Mais elle a les défauts inhérents à l'emploi des ressorts métalliques, qui sont constamment exposés à se casser, et, pas plus que les autres perforatrices électriques, elle ne peut travailler économiquement en roches très dures et en roches manquant d’homogénéité.

Perforatrice Bornet. — C’est pour éviter les défectuosités inhérentes aux ressorts métalliques que M. Bornet les a remplacés par des coussins d’air.

Le mouvement de percussion est obtenu par l’intermédiaire d’un arbre coudé, commandant un piston. Celui-ci se meut dans un cylindre monté sur l’arrière du porte-outil, auquel il est relié par deux chambres d’a;r (fig. 23). L’air remplace les ressorts et forme la liaison élas-

tique nécessaire entre le piston, qui est animé d’un mouvement régulier de va-et-vient, et le cylindre percuteur, dont la course varie à chaque instant.

La translation et la rotation du fleuret sont données à la manière ordinaire.

Une supériorité de la perforatrice Bornet consiste en l’injection d’eau au fond du trou de mine par le centre du fleuret. Cette injection se fait par un ingénieux artifice ; à l’avant se

F u ; . 23. — Perforatrice à percussion, système Bornet.

trouve un manchon d’acier à revêtement intérieur de bronze : c'est la chambre d'eau. Elle est traversée parla tige creuse du porte-outil. A chaque battement, la tige prend dans ce réservoir de l’eau sous pression de 3 kg, et l’envoie au fond du trou pendant la percussion.

Fig. 24. — Perforatrice Bornet et son moteur.

Chaque perforatrice est actionnée par un flexible et porte, équilibré sur l’affût, un petit moteur triphasé. La figure 24 montre la liaison du moteur et de l’appareil.

Données relatives aux perforatrices à percussion , système Bornet :

Poids du moteur . 123 kg

— du flexible . 23 —

— de la perforatrice avec injecleur d’eau . 123 —

Puissance en chevaux . 2 chevaux

Nombre de coups battus par seconde . 300

Avantages et rendement des perforatrices électriques. — Nous avons déjà indiqué les avantages comme les défauts de chacun des types actuellement employés pour la perforation en utilisant le courant électrique. Il reste à parler de leur rendement.

L’établissement d’un rendement industriel pour de semblables appareils et, par suite, leur comparaison au point de vue pratique et économique est fort difficile. On peut bien déterminer

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la quantité d’énergie consommée par le moteur, mais on ne peut faire que des évaluations approximatives en ce qui concerne celle qui est utilisée en fragmentation de la roche par le taillant du fleuret.

Voici quelques indications fournies à ce sujet par la maison Siemens et Ilalske 1 :