Machine d'extraction

Les machines à vapeur convertissent la chaleur en énergie mécanique. Les machines d'extraction actionnées par la vapeur nécessitent une unité de production de vapeur, la chaufferie. Historiquement c'est l'Angleterre qui fut le berceau de la machine à vapeur. Les applications de cette force motrice furent nombreuses (usines, bateaux, locomotives, centrales électriques) et se répandirent rapidement dans toute l'Europe d'abord et le reste du monde ensuite. La machine à vapeur fera augmenter massivement aussi bien la production que la consommation de charbon et minerais divers[2].

Les moteurs électriques entraînant une machine d'extraction sont de deux types.

• À courant continu (CC).
• À courant alternatif (CA).

Les moteurs à courant continu ont un fort couple (c'est-à-dire la capacité d’entraîner de fortes charges) peu dépendant de la vitesse, c'est leur principal avantage. Cette caractéristique permet la construction de machines puissantes à attaque directe, c'est-à-dire sans réducteur. L'arbre du moteur et l'arbre du treuil sont couplés dans le même alignement et tournent strictement à la même vitesse. Cette vitesse est de l'ordre de 60 tours par minute.

Ces moteurs nécessitent par contre la conversion du courant alternatif fourni par le réseau en courant continu. Ils nécessitent aussi plus d'entretien vu la présence d'un collecteur tournant. Jusque 1980 le système de conversion CA/CC le plus courant était le groupe Ward Leonard. Ce système permettait de plus de contrôler la vitesse du moteur d'extraction.

Les moteurs à courant alternatif pour machines d'extraction sont du type asynchrone triphasé. Le moteur asynchrone a un faible couple à faible vitesse et le contrôle de cette vitesse est délicat. On y remédie partiellement en construisant ces moteurs avec un rotor bobiné. Mais dans ce cas il faut y adjoindre des résistances rotoriques qui améliorent le couple à faible vitesse et permettent un certain contrôle de leur vitesse. Avec l'avènement du thyristor vers 1980 et de l'électronique de puissance, les moteurs asynchrones à cage sont devenus intéressant (prix, entretien nul).

Ces moteurs tournent à des vitesses de l'ordre 400 tours par minute, et nécessitent un réducteur à engrenages (généralement à chevrons). Ces moteurs sont robustes et emploient le courant du réseau, éventuellement après adaptation de la tension.

Les câbles plats employés pour les machines d'extractions sont soit assemblés en aussière, soit tressés. Ils sont goudronnés et graissés. Ils sont peu efficients, car leur poids au mètre courant est grand par rapport à la section utile. Ils ont l'avantage de pouvoir être fabriqués à section décroissante (par tronçons). Ils ne sont plus gère employés.

Les câbles ronds sont les plus employés de nos jours. Les modes de fabrications sont variés pour répondre à des contraintes diverses. Ils sont généralement construits en couches superposées et le sens de ces couches est inversé pour que les efforts giratoires se neutralisent. Ils sont les seuls à convenir dans le cas de la poulie Koepe, mais dans ce cas ils ne peuvent être graissés, vu que l'entrainement se fait par adhérence[4].

1. Les câbles plats tressés en acier étaient régulièrement raccourcis à la patte sur la cage, d'où la croyance (fausse) qu'ils s'allongeaient. Il y avait, à la mise en service, un certain allongement, mais la vraie raison était qu'en coupant le câble, on déplaçait le point de prise en charge et sur la cage et au treuil, ce qui, globalement, allongeait leur durée de vie. Le tronçon coupé était régulièrement soumis à analyse. Un autre allongement caractéristique advenait en toute fin de vie du câble. Le câble s'allongeait subitement et de beaucoup, (phénomène de striction), c'était le signe avant coureur de sa rupture imminente[5] - [6].
2. La durée de vie d'un câble est grandement influencée par le rayon de courbure (et au treuil et sur la molette) d'où l'intérêt de construire ces éléments à grand diamètre.
3. Idéalement un câble d'extraction devrait être fabriqué à section décroissante. Sur la cage le câble ne supporte que le poids de la cage, au treuil il doit en plus supporter son propre poids. En pratique la fabrication d'un tel câble est impossible, on s'en rapproche en les construisant décroissant par tronçons.
4. Dans certains cas (mais rares) les câbles ont été remplacés par des chaînes[7].

Le réducteur le plus employé est à engrenages taillés en chevrons. Ces engrenages peuvent transmettre des grandes puissances sans transmettre d'effort axial. Le rapport de réduction est de l'ordre de 1/10, toutefois le rapport de réduction exact est le rapport entre le nombre de dents des deux engrenages. Pour garantir une usure uniforme sur toutes les dents, ces deux nombres sont nombres premiers.

L’élément de manœuvre principal est le levier de commande de la machine. Généralement il comporte trois positions qui correspondent à trois plages de vitesse de la machine. Ces trois plages de vitesses sont dans l’ordre (de la plus basse à la plus haute).

Manœuvres ; lorsque la cage transporte les ouvriers d’entretien et de visite des puits.

Personnel ; lorsque la cage transporte du personnel.

Matériel ; lorsque la cage transporte des matériaux.

Chacune de ces trois plages peut être modulée par:Dans le cas de la machine à vapeur, par le contrôleur.

Dans le cas de machines électriques par de l'appareillage électrotechnique et actuellement électronique.

Le machiniste a aussi à sa disposition:

1. Un frein de manœuvres, c’est le frein qu’il actionne en fonctionnement normal.
2. Un frein de secours, c’est le frein qu’il actionne en cas de problèmes, mais ce frein entre aussi en action automatiquement dans certaines conditions d’urgence.
3. Un inverseur de sens de marche du moteur pour la montée et descente des cages dans le puits.

Toutes ces commandes sont depuis longtemps assistées pour ne pas fatiguer inutilement le machiniste qui doit garder une attention soutenue tout au long de son poste de travail.

Les éléments de contrôle sont intiment liés à la sécurité. Ils évitent que la machine ne fonctionne dans des conditions qui mettraient en danger sa fiabilité ou la sécurité de son fonctionnement. Ce sont par exemple les contrôles de température, de graissage, de vitesse, de freinage. Un freinage trop violent entraînerait une décélération de la cage, qui par inertie entraîne un surpoids et en dernier ressort des oscillations (verticales) de la cage.

Les éléments de sécurité concernent la sécurité de la machine même mais aussi de tout le puits et du personnel qui y transite. Ce sont les systèmes qui évitent que la cage n’atteigne les molettes, que la machine dépasse une certaine vitesse, ou une limite de charge. Que la machine se mette en sécurité en cas de panne de courant ou par manque d’air comprimé (le frein de secours entre en action quand un minima de pression est atteint, ce système garantit le blocage de la machine dans tous les cas, (« break safe »).

Les éléments d’indications sont de plusieurs types.

Outre la machine d’extraction même, le machiniste avait devant lui la colonne des profondeurs. Sur les flancs de cette colonne verticale coulissaient deux pointeurs blancs; les index. Ces deux pointeurs représentaient les cages. La colonne (fixe) portait des repères qui symbolisaient les étages dans le puits. En théorie, pour amener la cage à un étage donné, le machiniste amenait l’index devant le repère correspondant. En pratique la chose était plus complexe, mais suivant le type de machine, les machinistes avaient des astuces pour déposer la cage au bon endroit. Le plus connu étant un trait de couleur sur le câble et le tambour (ou la bobine). La colonne des profondeurs portait aussi des appareils de mesures électriques, courant et tension, de pression de vapeur ou d’air comprimé, d’huile de lubrification. Elle était aussi munie à sa partie haute, de deux sonnettes de timbre distinct qui avertissaient le machiniste, par leur signal sonore, de l'arrivée d'une cage en surface .

Notons que les ascenseurs domestiques ont un équivalent de la colonne des profondeurs, c'est l'affichage (destiné aux utilisateurs) de l'étage auquel l'ascenseur se trouve.

Le machiniste avait aussi à sa disposition l’enregistreur de vitesse (Karlik) ou des cordées (Rockel). Une cordée étant une translation complète des cages. Ces deux appareils avaient une finalité identique; garder une trace du déplacement des cages dans le puits. Toutefois leur mode de fonctionnement était différent.

1. le Karlik enregistrait graphiquement la vitesse de la machine, la transmission pouvait se faire par courroie. Il était muni d'un double stylet de couleurs différentes, un stylet pour les cages chargée de personnel, un autre pour les cages chargées de matériel. Le Karlik était aussi généralement muni d'un détecteur de vitesse à mercure. Sous l'effet de la force centrifuge le mercure se creuse au centre et le flotteur descendait. Si une vitesse limite était atteinte une sécurité entrait en action.
2. Le Rockel était un enregistreur graphique des cordées. Il devait rester synchrone avec le mouvement des cages, la transmission entre le Rockel et la machine devait impérativement être à chaine, cardans ou engrenages (sans glissement possible)

Ces appareils sont maintenant remplacés par de l'électronique, mais ils existent toujours.

La puissance d'une machine est sa capacité à produire un travail en un temps donné. Le travail est défini comme une force qui déplace son point d'application. La relation est P (puissance) = T (travail) / t (temps) et donc une machine qui soulève 10 kg de 15 m en 3 secondes produit un travail de 150 kgm et sa puissance est de 150/3 soit 50 kgm/s. Et vu qu'un cheval-vapeur équivaut à 75 kgm/s, la machine de notre exemple a une puissance de 2/3 de cheval. En abrégé on note généralement 0,66 ch ou 0,66 HP (horsepower) et en kW 0,66 x 736 = 0,490 kW.

La puissance réelle d'une machine d'extraction est d'un tout autre ordre de grandeur que l'exemple théorique. L'ordre de grandeur est celui d'une locomotive et les puissances des deux machines ont évolue de façon fort semblable au cours du temps. Quelques exemples documentés :

• La machine d'extraction du charbonnage du Bois du Cazier (lors de l'accident en 1956) avait une puissance de 1 250 chevaux.
• En 1885 Haton de la Goupillière nous cite une machine à vapeur dont la puissance nominale était de 4 700 chevaux en service dans une mine de cuivre de Calumet et Hécla au lac Supérieur construite par Morris de Philadelphie[9].
• En 1962 Victor Vidal nous cite une machine à courant continu de 7 400 kW soit 10 050 CV (mine Mathias Stinne dans la Ruhr)[10].

• Charbonnage
• Chevalement

• écomusée de Bois du Luc
• machine d'extraction

: document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

• Pierre-Christian Guillard, Les chevalements des houillères Françaises, Fichous, Pierre-Christian Guillard, 1993, 268 p. (ISBN 2-9502503-6-X)
• V. Vidal, Exploitation des mines, t. 3. 
• Haton de la Goupillière, Cours d'exploitation des mines, Dunod éditeur (lire en ligne). 
• Ch. Demanet, Traité d'exploitation des mines de houille, 3 rue des minimes, Mons, société belge d'éditions. 
• M. Delwiche & F. Groff, Les gueules noires, Bruxelles, édition les éperonniers