Brevet FR2370854A1 — publié le 19780609

Dans la technique du perçage des sols par l'emploi d'outils à. percussion, par exemple dans le perçage de rochers, la pratique courante a longtemps été de diriger un courant de fluide d'arrosage vers la surface de travail pendant le déroulement des opérations de perçage, afin de débarrasser le forage des détritus et aussi de refroidir le foret ou autre outil de perçage.Par exemple, de nombreux types connus de marteaux perforateurs comportent dans le piston du marteau, dans le percuteur et dans l'outil de perçage des alésages communiquants et alignés axialement entre eux, afin de réaliser des moyens à la fois simples et compacts pour diriger un cou rant de fluide d'arrosage, par exemple de l'eau, vers le fond du trou percé par l'outil, et aussi pour des buts complémentaires tels que la dissipation de la chaleur engendrée à l'intérieur des'outil de perçage.Bien que de telles dispositions pour la circulation du fluide d'arrosage aient généralement rempli le rôle qui leur était assigné, elles ont néanmoins donné lieu à certains inconvénients indésirables. Par exemple, le courant de. fluide d'arrosage à l'intérieur de l'outil de percussion ne parvient pas toujours à dissiper la chaleur engendrée dans le carter de l'outil aussi efficacement que cela serait souhaitable.En outre, de telles dispositions compo taient généralement une canalisation pour l'alimentation en eau, laquelle était logée dans les alésages axialement alignés prévus dans le piston du marteau et dans l'organe de percussion ou percuteur, et qui comportent des joints d'étanchéité destinés à protéger les organes internes du marteau perforateur contre des détériorations possibles dues à la pénétration d'eau dans ces organes pendant le fonctionnement de l'appareil. Jusqu'à présent, aucun moyen réelle- ment efficace d'étanchéité n'a été proposé pour protéger l'intérieur du marteau perforateur contre les dégâts produits par l'eau en cas de rupture ou de détérioration de joints primaires d'étanchéité du tube de circulation d'eau. La présente invention prévoit des moyens permettant de diriger le fluide d'arrosage vers le fond d'un trou de forage à travers des alésages qui communiquent entre eux et traversent le piston du marteau perforateur, le percuteur et l'outil de perçage, afin de supprimer, du moins en grande partie, les inconvénient s énoncés ci dessus, que l'on rencontre dans l'art antérieur, ainsi que d'autres inconvénients qui n'ont pas été cités expressément.A cet effet, il est prévu dans le cadre de la présente invention des moyens de transfert de fluide pouvant coopérer avec un piston de marteau per forateur au rocher, afin d'assurer un transfert thermique améiioré entre l'outil et le fluide d'arrosage qui le traverse. tes moyens de transfert de fluide suivant la présente invention agissent comme dispositifs complémentaires d'étanchéité pour protéger l'outil de perçage en cas de rupture d'un joint de conduite d'eau. Ces différents buts et avantages de l'invention, ainsi que d'autres encore, ressortiront plus clairement au cours de la description ci-après qui se réfère à la figure unique du dessin annexé qui montre en élévation latérale et en coupe longitudinale partielle un marteau perforateur au rocher réalisé conformément aux principes de la présente invention. le chiffre de référence 10 désigne dans son ensemble un marteau perforateur au rocher qui fonctionne par percussion sous lim- pulsion d'un moteur à fluide sous pression qui peut appartenir, ainsi qu'il a été clairement indiqué au début de cette description, à l'un des nombreux types de moteur à fluide sous pression connus dans l'art, et que l'on peut adapter en pratique pour la mise en oeuvre de la présente invention. Le marteau perforateur 10 est représenté sous une forme simplifiée mais uniquement dans un but de clarté, et il est bien entendu que cette simplification n'est pas destinée à limiter indflrnent la portée de l invention décrite ici.Par conséquent, comme on le voit, le marteau perforateur 10 comprend un corps ou carter moteur 14 de forme sensiblement allongée et à section circulaire, disposé axialement à proximité d'un carter de man drln 15 de forme sensiblement annulaire. te carter moteur 14 et le carter de mandrin 15 sont disposés axialement entre une culasse annulaire arrière 16 et une culasse annulaire avant 18, tout en étant ri gidement fixés entre ces deux culasses grâce à plusieurs tiges latérales 20 disposées dans le sens longitudinal.Comme on le voit sur le dessin, ces tiges 20 ont pour rôle de maintenir le carter moteur 14 et le carter de mandrin 15 axialement en contact.entre eux et aussi par rapport aux culasses avant et arrière 18,,16, grâce à des extrémités filetées 24 de ces tiges qui traversent des alésages convenablement alignés 22 prévus dans les culasses avant et arrière, lesdites extrémités filetées recevant des écrous 26 de manière à bloquer les eléments 16, t4, 15 et 18 dans la disposition décrite .et représentée, sous une force de compression importante. Ainsi qu'il a été indiqué plus haut, le moteur du marteau perforateur 10 peut être l'un quelconque parmi les nombreux types connus comportant généralement un piston de marteau monté de façon à pouvoir exécuter un mouvement alternatif pour venir frapper de manière répétée et contrôlée un organe percuteur.Pour simplifier l'exposé, le marteau représenté ici comprend un moteur du type à distribution sans soupapes, dans lequel un piston cylindrique à épaulements 28 est porté de manière à exécuter des mouvements alternatifs dans un alésage axial 30 prévu dans une chemise annulaire sensiblement allongée 32 disposée à poste fixe dans un alésage passant axial 34 prévu dans le carter 14, et dans le prolongement axial de ce dernier e Comme on le voit, le piston 28 comprend des tiges axialement espacées, arrière et avant, désignées respectivement en 28a et 2-8b ainsi qu'une partie intermediaire élargie 28c présentant des épaulements tels que 33 et des gorges adjacentes 35 disposées de manière à pouvoir se déplacer en va-et-vient dans une partie intermédiaire, sensiblement épaulée et de commande 30a de l'alésage 30.Cette partie 30a de l'alésage 30 communique par une lumière appropriée 36, dite-de pression et par une lumière appropriée d'échappement 38, avec tout système approprié de fluide sous pression (non représenté), tel qu'une source de fluide hydraulique, afin que le mouvement alternatif du piston 28 détermine l'ouverture et la fermeture cycliques, par les épaulements 33 et les gorges 35, des lumières 36 et 38, ce qui dirige l'écoulement du fluide moteur de manière à soutenir les mouvements alternatifs du piston selon le mode généralement bien connu-de fonctionnement des moteurs à fluide à cy cle sans soupapes. Dans la mesure où ces moteurs sans soupapes sont bien connus des spécialistes, il n'est pas jugé nécessaire d'en donner ici une description détaillée. Il suffira de souligner à ce propos que, pendant le fonctionnement de ce type de moteur, le mouvement alternatif auto-entretenu du piston 28 produit des impacts répétitifs de la tige avant 28b sur un percuteur représenté sous forme d'une broche de percussion 40 montée rotative de toute fa çon appropriée dans le carter 152 par exemple par l'intermédiaire d'un accouplement à cannelures 42 à l'intérieur d'un mécanisme annulaire de mandrin 44 monté dans des roulements(non représentés) qui en permettent la rotation dans le carter 15. On peut utiliser tout moyen de rotation approprié, par exemple un moteur rotatif à fluide 46 ainsi qu'un train d'engrenages coopérant (non représenté) porté par le carter 15, pour entraîner le mécanisme 44 et la broche de percussion 40 en rotation, afin d'engendrer un effet de per çage par impact rotatif.Une partie terminale antérieure 40a de la broche de percussion 40 s'étend vers l'avant par rapport à la culasse antérieure 18, à travers un alésage axial passant 50 prévu dans un organe formant palier axial 52, un outil de perçage propre- ment dit 54, en acier spécial, étant rigidement fixé à cette partie terminale antérieure 40a, par-esemple à l'aide d'un manchon d'accouplement 56 Se type connu. B'outil en acier spécial 54 porte à son tour une pointe de travail 48 rigidement fixée à son extrémité avant, de telle sorte que l'effet de perçage par impact rotatif produit par le marteau 10 soit transmis directement à cette pointe de travail 48 pour percer la roche ou les formations rocheuses selon le mode connu. le marteau perforateur 10 comprend des moyens propres à diriger un courant de liquide d'arrosage tel que de l'eau jusqu'à la pointe de travail 48, ces moyens comprenant un alésage axial 58 traversant le piston 28 et communiquant avec un alésage passant et axialement aligné 60 prévu dans la broche de percussion 40. Cet alésage 60 communique à son tour avec un autre alésage axial passant 62 traversant l'outil de perçage 54 de manière à diriger le liquide d'arrosage vers la pointe dte travail 48 en suivant un trajet axial continu formé parles alésages respectifs-58, 60 et 62. Pour protéger les composants internes du marteau perforateur 10 contre la pénétration d'eau d'arrosage, l'eau passant par l'alésage 58 circule dans un tube à eau 64 disposé à l'intérieur de l'alésage 58 et qui se prolonge vers l'avant à l'intérieur de l'alé- sage 60. Le tube 64 s'étend également vers l'arrière à l'intérieur d'un alésage axial passant 66, muni d'épaulements, qui traverse la culasse arrière 16. le tube 64 est muni de moyens d'étanchéité placés près des extrémités longitudinales opposéesde ce tube, à l'intérieur des alésages 66 et 60, de telle sorte que les organes moteurs contenus dans le carter 14 soient totalement isolés de l'eau d'arrosage circulant à travers ce tube 64. Le moyen d'étanchéité arrière est représenté comme étant constitué par un joint annulaire élastique 68 de type approprié, qui entoure le tube 64 dans une partie élargie 66a de l'alésage 66, et placé, dans le sens axial, entre un épaulement 70 qui s'étend radialement vers l'intérieur pour former l'ex- trémité avant de la partie 66a dudit alésage et une partie terminale évasée radialement vers l'extérieur 72 du tube 64.Un organe 74 de serrage du tube à eau se visse dans la partie extrême arrière taraudée 66b de l'alésage 66, de telle sorte qu'une extrémité avant 84a de cet organe de serrage 74 s'ajuste à force dans l'extrémité évasée 72 de manière à retenir le joint 68 entre l'épaulement 70 et la partie terminale 72-, ce qui assure efficacement l'étanchéité de l'espace annulaire disposé radialement entre le tube 64 et l'aléua- ge 66. Près de l'extrémité avant du tube 64, à l'intérieur de l'alésage 60, se trouve un joint approprié constitué par exemple par un anneau souple à frottement doux 76 qui se loge hermétiquement dans une gorge annulaire 78 espacée vers l'avant par rapport à l'extrémité arrière de l'alésage 60. Ce joint 76 qui entoure le tube 64 est en contact hermétique radial avec le tube 64 et la gorge 78. Il est évident que l'on peut ainsi introduire de l'eau d'arrosage dans l'extrémité arrière du tube 64 par tout moyen classique, par exemple à travers une lumière d'admission 80 communiquant d'une part avec toute source adéquate d'eau sous pression (non représentée), et d'autre part à travers des passages ouverts 82 formés dans la culasse arrière 16 avec une partie élargie annulaire 66c de l'alésage 66. Cette partie 66c de l'alésage communique à son tour, par des passages transversaux appropriés 84 et un passage axial 86 orienté vers l'avant pratiqué dans l'organe 74, avec le tube 64, de telle sorte qu'en service réel l'étau d'arrosage soit dirigée sous pression à travers le tube 64 et, de là, vers la pointe de travail 48 de l'outil. Pour protéger les éléments constitutifs du marteau perforateur que renferme le carter 14 contre une détérioration éventuelle par l'eau, par exemple en cas de rupture ou d'insuff-isance des joints d'eau du tube, il est prévu, suivant la présente invention un dispositif d'étanchéité actionné par la pression du fluide, dans lequel une charge de gaz comprimé, par exemple de l'air, est utile pour renforcer l'action des joints du tube à eau, comme il est ex- posé ci-après. A l'intérieur de l'alésage 30 dans lequel le piston 28 se dé- place avec un mouvement alternatif, on a prévu des chambres 88 et 90 respectivement voisines des extrémités longitudinales opposées dudit alésage et destinées à recevoir respectivement les tiges de piston 28a et 28b, pendant les déplacements alternatifs du piston 28.La chambre 88 représentée ici est formée dans une partie arrière élargie 30d de l'alésage 30 et dans une partie adjacente également élargie 66d mais située à l'avant de l'alésage 66; elle est rendue hermétique aux fuites de fluide partir de cette chambre grâ- ce au joint arrière 68, déjà décrit, du tube à eau, et aussi par un dispositif approprié d'étanchéité tel qu'un joint métallique frontal formé entre les surfaces adjacentes de la culasse 16 et de la che- mise 32, ainsi qu'il est indiqué par exemple en 92; ce joint s'étend radialement vers l'extérieur près de la chambre 88, avec en plus un joint à lèvre annulaire frottante 94, logé dans une gorge annufaire 96 formée dans l'alésage 30 en avant de ladite chambre 88, ce joint entourant de manière étanche la tige de piston 28a. Par conséquent, la chambre 88 est rendue étanche à toute fuite de gaz vers l'extérieur par toute voie possible, à l'exception d'un jeu annulaire 98 prévu entre la paroi extérieure intermédiaire du tube 64 et l'alésage 58, ce jeu s'étendant dans le sens longitudinal de manière à faire communiquer entre elles les chambres intermédiaires 88 et 90. la chambre 90 est réalisée d'une manière analogue à la chambre 88 et comprend une partie terminale avant 30e de l'alésage 30, ainsi que des parties périphériques internes adjacentes, vers 1'a- vant, du mécanisme à mandrin 44 comme il est indiqué en 100, soit radialement entre la broche de percussion 40 et la périphérie in terne du mécanisme 44.Comme on le voit sur le dessin, la chambre 90 peut comprendre en outre des espaces disposés axialement entre la partie 30e de l'alésage 30 et l'espace 100, par exemple l'espace 102 disposé axialement entre les extrémités avant du carter 14 et de la chemise 32, ainsi que l'extrémité arrière voisine du mécanisme 44, avec en plus d'autres parties des cavités formées dans la périphérie interne du mécanisme 44, telles que la cavité 104 située près d'une partie adjacente, terminale et avant de ce mécanisme.Il est clair que les composants normalement logés dans ce mécanisme 44, tels que la broche depercussion 40 et le palier arrière 41, par exemple, n'assurent pas un ajustage étanche dans cet ensemble, et que l'on maintient par conséquent des jeux qui permettent un écoulement gazeux relativement libre à travers la totalité de ladite chambre 90 entre les extrémités axiales du mécanisme 44. la chambre 90 est rendue étanche contre toute fuite de gaz vers l'extérieur grâce au joint 76 pour le tube à sau, déjà décrit plus haut, et aussi par des joints comp;émentaires qui comprennent un joint 106 sur la tige annulaire de piston, du type à lèvre frottante, ce joint étant en tous points semblable au joint 94 décrit auparavant; un autre joint annulaire à frottement 108 interposé radialement entre les parties en rotation réciproque du mécanisme 44 et du carter 14, près d'une extrémité arrière dé ee mécanisme; un autre joint à frottement 110, exactement identique, disposé radialement entre une partie terminale avant du mécanisme 44 et le carter 15; un joint annulaire 112 disposé radialement entre la ehe- mise 32 et le carter 14 près d'une extrémité terminale avant de ce dernier; et enfin un joint annulaire à frottement 120 disposé radialement entre la broche de percussion 40 et le carter de mandrin 52 i ltintérieur de l'alésage 50. On peut ainsi constater que, grâce aux divers moyens d'étan chdité prévus, les chambres 88 et 90 sont rendues totalement étan ches contre les fuites de gaz vers l'extérieur, sauf que le gaz peut circuler entre les chambres 88 et 90 en empruntant un jeu 98 prévu entre ces chambres à l'intérieur du piston 28. Ainsi, on parvient à entretenir une charge gazeuse dans ces mêmes chambres afin d'assurer une étanchéité accrue selon une caractéristique particulière de la présente invention.Pour introduire ce gaz dans les chambres 88 et 90, on peut prévoir des dispositifs d'admission de gaz tel qu' une lumière d'entrée 113 formée à l'intérieur de la culasse arrière 16 et communiquant avec la chambre 88. Cette lumière compor- te un raccord 114 pour une tuyauterie à gaz, de manière à permettre l'introduction d'air ou d'un autre gaz dans les chambres 88 et 90 en passant par un orifice 113. te raccord est représenté ici comme étant fermé hermétiquement par un bouchon ou capuchon vissé 116 afin d'empêcher le gaz ainsi introduit de s'échapper dans l'atmosphère. La pression du gaz introduit dans les chambres 88 et 90 sera de préférence positive et légèrement supérieure à celle de l'eau d'arrosage, afin que les forces d'extrusion, à la fois considérables et indésirables, qu'exerce l'eau d'arrosage sur les joints 68 et 76 d'étanchéité du tube à eau soient efficacement annulées par la pression antagoniste du gaz.En outre, la pression différentielle, grâoa à laquelle la pression du gaz dans les chambres 88 et 90 est supérieure à la pression de l'eau d'arrosage, assure une légère pression excédentaire vers l'extérieur, à tout instant, à travers les joints respectifs 76 et 68 du tube à- eau, si bien qu'en cas de détérioration de l'un ou des deux de ces joints il n'en résulte qu'un écoulement de gaz hors des chambres 88 et 90, ce qui évite toute entrée d'eau d'arrosage dans celles-ci. Suivant une caractéristique complémentaire de la présente invention, à mesure que le piston 28 se déplace en va-et-vient, pendant le fonctionnement de l'appareil, et que les tiges 28a et 28b entrent et sortent des chambres respectives 88 et 90s une fraction du gaz contenu dans les chambres correspondantes 88 et 90 est pompée cycliquement entre celles-ci à travers le jeu 98, la chambre 88 étant partiellement vidée de son gaz tandis que la chambre 90 est remplie lors de la course montante du piston, et que la chambre 90 est partiellement vidée tandis que la chambre 88 est remplie lors de laoeurse descendante du piston.Ce pompage du gaz entre les chambres 88 et 90 améliore la dissipation de chaleur en provenance de l'appareil 10 et assure une température uniforme du piston 28 dans la mesure où le transfert de calories entre le piston 28 et le gaz en circulation se produit uniformément le long du piston 28, tandis que le gaz circule à travers le passage 98 entre les chambres 88 et 90. la chaleur est alors transférée uniformément entre le courant gazeux et l'eau d'arrosage à travers la paroi du tube 64 sur la presque totalité de la longueur de celui-ci. En outre, en donnant des dimensions appropriées aux chambres 88 et 90 ainsi qu'au jeu 98, on peut faire en sorte que le pompage périodique décrit cidessus crée une circulation gazeuse turbulente qui augmente encore le transfert de calories entre le marteau perforateur 10 et l'eau en circulation.Cet écoulement gazeux turbulent diminue la capacité d'isolement thermique du gaz encirculation, par exemple en déterminant la rupture de la couche-limite gazeuse à proximité de la périt phérie de l'alésage 60 et du tube 64. Bien entendu, il convient de souligner que le passage de com- munication 98 entre les chambres 88 et 90 ne doit pas obligatoirement prendre la forme d'un jeu ou dégagement autour du tube à eau 64. Par exemple, les avantages décrits qu'assure ce transfert thermique peuvent aussi être obtenus par l'adoption soit d'un passage distinct, soit de plusieurs passages, disposés à l'intérieur même du piston 28, et qui communiquent avec le tube 64 au lieu, ou en plus, du jeu précité 98, en outre, il convient d'apprécier que la dispersion de chaleur obtenue comme indiqué ci-dessus par pompage du gaz peut être réalisée avec de nombreux gaz et sur une gamme étendue de pressions, y compris l'air à la. pression atmosphérique. Suivant la description donnée ci-dessus, on voit que la présente invention permet de réaliser un moyen nouveau pour disper ser la chaleur des parties internes d'un marteau perforateur à percussion au rocher, ainsi qu'un moyen propre à protéger l'appareil contre la pénétration de liquide d'arrosage en cas de rupture ou de détérioration d'un joint le long du trajet suivi par le liquide d'arrosage à l'intérieur de cet appareil. Malgré la référence faite ici à un mode préféré de réalisation de l'invention, il est bien entendu que celle-ci est conçue dans un esprit très large et se pr8te par conséquent à de nombreuses variantes et modifications. Ais si, par exemple, on peut modifier la forme du piston 28 dans une mesure condidérable, et les chambres 88 et 90 peuvent être mises sous pression de façon indépendante sans communiquer entre elles aux fins de réaliser la caractéristique décrite concernant l'étanchéité du tube à eau; par ailleurs, les chambres 88 et 90 peuvent être con çues en vue de communiquer de fagon continue avec un réservoir de gaz sous pression; de plus, ces chambres 88 et 90 pourraient être complétées par des chambres auxiliaires à volume variable et par des passages ultérieurs assurant la communication entre ces chambres auxiliaires et les chambres 88 et 90, et enfin 11 organe percuteur pourrait être constitué par un bloc formant enclume au lieu de la broche de percussion 40, et ledit organe percuteur ne doit pas nécessairement être monté en rotation, etc. Ces variantes de réalisation, ainsi que d'autres encore qui pourraient venir à l'es- prit des spécialistes dans l'art, sont toutes prévues par la Demanderesse et par conséquent elles restent dans le domaine de l'inven- tion telle qu'elle est décrite dans les revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Moteur à fluide sous pression, caractérisé en ce qu'il comprend un carter-moteur ; une chambre de forme allongée délimitée dans ce carter-moteur ; une première partie de cette cham- bre, située entre des seconde et troisième parties de celle-ci ; un organe de travail pouvant exécuter des mouvements alternatifs dans ladite première partie ; des moyens pour introduire un courant de liquide sous pression dans lesdites seconde et troisième parties ; des moyens d'étanchéité pour rendre ladite première partie étanche par rapport audit courant de liquide sous pression dans les seconde et troisième parties, et d'autres moyens pour entretenir une pression gazeuse dans au moins une zone de la première partie et qui communiquent avec les moyens dlétanchéité précités sous une pression supérieure à la pression dudit liquide. 2. Un moteur à fluide selon la revendication l, caractérisé en ce que ledit organe de travail est un piston de forme allongée. 3 Un moteur à fluide selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit piston est un piston de percussion d'un marteau perforateur au r-ocher. 4. Un moteur à fluide selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de circulation qui com musiquent avec lesdites seconde et troisième parties afin de diriger entre celles-ci un courant dudit liquide. 5. Un moteur à fluide selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une partie au moins desdits moyens de circulation s'étend à l'intérieur de ladite première partie. 6. Un moteur à fluide selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de circulation sont constitués par un tube de forme allongée. 7. Un moteur à fluide selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens dZétanchéité comportent des joints annulaires qui entourent les parties dudit tube qui communiquent avec lesdites seconde et troisième parties. 8. Un moteur à fluide selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'unie partie au moins desdits moyens de circulation qui s'étend à l'intérieur de ladite première partie s'étend en outre à l'intérieur de l'organe de travail. 9. Un moteur à fluide selon la revendication 8, caractérisé en outre par le fait que ledit organe de travail est constitué par un piston allongé et que ladite partie au moins desdits moyens de circulation s'étend axialement à l'intérieur dudit piston. 10. Un moteur à fluide selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de circulation sont constitués par un tube de forme allongée et que les moyens d'étanchéité se composent de joints annulaires qui entourent des parties dudit tube qui communiquent avec lesdites seconde et troisième parties.