Brevet FR2402058A1 — publié le 19790330

La présente invention se rapporte à une perforatrice comprenant un marteau perforateur destiné à frapper une tige ou un train de tiges et dont le corps comporte un ressort à fluide qui exerce sur la tige ou le train de tiges une précontrainte dirigée vers le fond du trou de forage, ce ressort à fluide étant constitué par un piston annulaire qui se déplace dans une chambre cylindrique solidaire du corps du marteau et contenant un fluide sous pression, ce piston exerçant une pression sur un épaulement annulaire solidaire de la tige ou du train de tiges. Dans un dispositif déjà connu destiné à amortir le rebondissement dans les perforatrices (DT-OS 26 10 990), on prévoit dans le corps du marteau de la perforatrice une chambre cylindrique dans laquelle se trouve un piston d'amortissement. Cette chambre cylindrique est reliée par l'intermédiaire d'un clapet anti-retour à une conduite d'air comprimé et le bord inférieur du cylindre amortisseur bute contre une embase annulaire appartenant à un éliment d'emmanchement rigidement solidaire de la tige supérieure du train de tiges. Pendant le creusement du trou, le corps du marteau est pressé~vErsle fond du trou avec une force avance extérieure.Le ressort pneumatique composé du piston amortisseur et de la chambre cylindrique est alors comprime' de sorte que le cylindre amortisseur se sépare de sa butée mécanique et prend une position moyenne. Lorsque le train de tiges rebondit apres un coup du marteau, ce rebondissement doit être amorti par le coussin pneumatique. Par ailleurs, le ressort pneumatique doit exercer la fonction d'appliquer le fleuret contre la roche. Toutefois, à chaque coup du piston, l'air comprimé pénètre dans le cylindre amortisseur à travers un clapet anti-retour intercalé dans la conduite d'air comprimé lorsque le piston annulaire accompagne le mouvement du train de tiges sur une distance égale à la profondeur d'avance du coup considéré.Par conséquent, le clapet anti-retour qui doit avoir pour fonction propre de compenser les éventuelles pertes par fuites, exerce une influence préJudiciable sur la fonction du piston amortisseur parce que ce dernier est poussé dans sa position finale extérieure Dans les perforatrices, il est important, non seulement d'amortir le rebondissement, mais également de faire en sorte que le taillant se trouve en contact aussi étroit que possible avec le fond du trou de forage à l'instant où se produit le coup du marteau. Si le taillant se trouve à une certaine distance du fond du trou, une partie de l'énergie du choc est transformee en un travail d'accélération du train de tiges.Une autre partie de I'énergie du choc est réfléchie à l'extrémité du train de tiges et revient en arrière sous la forme d'une onde de tension. Chaque coup sur la surface frontale de la tige détermine une déformation sensiblement élastique de cette tige. Il se produit dans la masse de la tige une compression locale de la matière de cette tige. Cette compression se propage sous la forme d'une onde de pression qui se déplace à la vitesse du son dans la tige et se refléchit à I'extrémité en se transformant en une onde de tension. Il est essentiel pour la bonne utilisation de lténergie du choc que le taillant soit énergiquement appliqué contre la roche au moment où le choc se produit. Le but de l'invention est de réaliser une perforatrice possé- dant une construction telle qu'en supplément de la force d'avance qui doit gtre appliquée au corps du marteau de la perforatrice, il s'exerce sur la tige de forage une précontrainte élastique dirigée vers le fond du trou de forage. Cette précontrainte doit pouvoir accompagner suffisamment rapidement la rapide inversion de charge au moment du choc sans que le piston amortisseur n'exerce un effet de pompe qui agrandirait le volume du cylindre amortisseur. Cette prEcontrainte élastique doit maintenir le taillant appliqué aussi énergiquement que possible contre le fond du trou de forage. Suivant l'invention, ce problème est résolu par le fait que la chambre cylindrique contient un liquide hydraulique et est en communication hydraulique avec un élément élastiquement compressible. Suivant une caractéristique avantageuse de l'invention, l'elé- ment élastiquement compressible est relié à la chambre cylindrique par l'intermédiaire d'une conduite hydraulique dans laquelle le liquide hydraulique peut circuler dans les deux sens. Etant donné que le liquide hydraulique est pratiquement incompressible, il ne peut pas jouer le rôle d'un ressort amortisseur. Par contre, il est utilisé pour la transmission de la pression à I'élement élastique. L'élément compressible peut être constitué, par exemple, par un accumulateur à gaz sous pression. Un tel accumulateur est constitué par une enceinte fermée, étanche à la pression, contenant un gaz, de préference de l'åzote, logé à l'intérieur d'un volume limité par une membrane. Sous l'effet de l'application d'une contre -pression hydraulique sur la membrane, le gaz se trouve comprimé. Un tel accumulateur de gaz sous pression ne présente aucune perte par fuite. Il n'est donc pas nécessaire de compléter continuellement la quantité de gaz. L'accumulateur de gaz sous pression peut être relié par une conduite de dérivation hydraulique directement à la chambre cylindrique ou à la conduite de pression débouchant dans la chambre cylindrique. Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, l'accumulateur de gaz est monté directement dans la chambre cylindrique. Il est entièrement ou partiellement entouré de liquide hydraulique et est monté rigidement ou sans fixation rigide dans cette chambre cylindrique. Lorsque le piston annulaire s'enfonce dans la chambre cylindrique, le liquide hydraulique ne se comprime pratiquement pas pendant que le volume de l'élément compressible décroît en réponse à l'accroissement de la pression. Il n'est pas absolument nécessaire que l'élément compressible contienne un gaz sous pression mais il peut au contraire être réalisé sous la forme d'un corps plein en matière élastique. On peut utiliser à cet effet des types déterminés de caoutchoucs qui possèdent l'élasticité nécessaire. Suivant une autre caractéristique avantageuse de l'invention, la conduite hydraulique qui débouche dans la chambre cylindrique est raccordée à la conduite de pression d'un mécanisme d'avance hydraulique et la surface utile du piston annulaire est dimensionnée de manière que la force hydraulique qui agit sur le piston annulaire soit inférieure à la force d'avance qui agit sur le corps du marteau. En choisissant convenablement le rapport entre la surface utile du piston annulaire et la surface effective du piston du mécanisme d'avance, on peut obtenir que la force de précontrainte à l'état stationnaire reste toujours un pourcentage constant de la force d'avance. Etant donné que la pression hydraulique du mécanisme d'avance est liée par un rapport fixe à la valeur de la force d'avance, cette forme de construction garantit que la force de précontrainte est également liée à la force d'avance par un rapport fixe. Naturellement, la force d'avance doit être inférieure à la force de précontrainte. La force de précontrainte correcte s'établit donc automatiquement dans le ressort à fluide et elle s'accroît lorsque la force d'avance croit elle-même. Le dispositif de précontrainte suivant l'invention peut également être facilement monté après coup dans les perforatrices déjà existantes. La chambre cylindrique annulaire peut être, par exemple, montée extérieurement sur la face terminale du corps du marteau.Dans cette chambre se trouve le piston amortisseur qui, à chaque coup, accompagne élastiquement l'embase annulaire de 11 élément d'emmanchement solidaire de la tige supérieure du train de tiges de forage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparat- tront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemples - la Fig. 1 est une vue en élévation de côté et en partie en coupe, d'une première forme de réalisation de la perforatrice; - la Fig. 2 représente schématiquement les éléments essentiels du circuit hydraulique de la forme de réalisation de la Fig. 1; - la Fig. 3 montre le montage de la perforatrice sur un affdt; - la Fig. 4 représente une deuxième forme de réalisation de l'invention, destinée à équiper après coup des perforatrices déjà existantes; - la Fig. 5 est une vue en élévation de c8té et en partie en coupe d'une troisième forme de réalisation de l'invention qui est légèrement modifiée comparativement à celle de la Fig. 1;; - la Fig. 6 montre une quatrième forme de réalisation de l'in mention légèrement modifiée oomparativement à la forme de réalisation de la Fig. 1, la vue étant en partie en coupe; - la Fig. 7 représente une cinquième forme de réalisation modifiée comparativement à celle de la Fig. 4; - la Fig. 8 montre une sixième forme de réalisation qui est également modifiée par rapport à celle de la Fig. 4. Sur la Fig. 1, l'élément d'emmanchement Il est engagé dans le corps 10 d'un marteau perforateur hydraulique. L'élément 11 presen -te une cannelure 12 qui s'engage dans une cannelure intérieure correspondante formée dans un manchon d'entrainement 13 de sorte que l'élément 11 est ainsi solidaire en rotation du manchon d'entratne- ment 13 mais peut se déplacer dans la direction longitudinale par rapport à ce manchon. L'extrémité supérieure 14 de l'élément il sert d'enclume pour le piston 15 du marteau qui impose périodiquement des chocs à la surface terminale de cet élément. La commande ou l'entratnement du piston du marteau est connu, par exemple du fait du brevet allemand DT-AS 24 28 236 et il n'est donc pas nécessaire d'en donner une explication plus complète. A l'intérieur du corps 10 du marteau se trouve un piston annulaire 16 logé dans une chambre cylindrique 17. Le piston annulaire 16 possède une partie inférieure de grand diamètre qui coulisse à joint étanche dans la surface de la chambre 17 et une partie supérieure de petit diamètre qui coulisse à joint étanche dans la surface 18 du cylindre. Le diamètre de la surface 18 du cylindre est petite par rapport à celle de la chambre 17. Dans la chambre 17 débouche une conduite hydraulique 19. Par ailleurs, une conduite de sortie 20 prend naissance dans la chambre du cylindre. Sur la conduite 19 est piquée une conduite dérivée 21 reliée à l'accumulateur de pression à gaz 22. Cet accumulateur 22 est composé d'une cavité à peu près semi-cylindrique 23 ménagée dans la paroi du corps du marteau. Cette cavité est fermée à joint étanche au moyen d'un couvercle 14 et elle renferme une membrane 25 serre énergiquement le long du bord du couvercle. La membrane 25 sépare les deux chambres de l'accumulateur à gaz sous pression, lequel peut être rempli de gaz au moyen d'une tubulure d'arrivée 26 prévue sur le couvercle de sorte que la membrane 25 s'applique contre la paroi 23 de la façon représentée. Lorsqu'une pression règne dans la conduite hydraulique 21, la membrane 25 se déforme en réponse à la compression du gaz. Pour faire tourner le train de tiges est prévu un dispositif hydraulique d'entralnement en rotation. Ce dispositif est essentiellement composé d'un moteur hydraulique 27 dont l'arbre de sortie 28 entraine un pignon 29, lequel entrain, par l'intermédiaire d'un pignon intermédiaire monté fou, le manchon d'entrainement 13 qui possède à cet effet une denture extérieure 31. Lors du fonctionnement du marteau perforateur, l'élément d'emmanchement Il se déplace vers le bas, vu sur la Fig. 1, à chaque coup du marteau. En raison de la pression qui règne dans la chambre cylindrique 17, le piston annulaire 16 accompagne aussitat ce mouvement (vers le bas), de sorte que la chambre 17 s'agrandit pendant un temps court. Toutefois, aussitôt après, il s'exerce une force d'avance qui agit sur le corps du marteau dans le sens de la flèche 32. Le piston annulaire 16 accompagne donc aussitôt le mouvement de l'élément 11 tandis qu'en raison de son inertie, le corps 10 ne l'accompagne qu'après un léger retard. La force de précontrainte que le piston annulaire 16 exerce sur la tige de forage est transmise dans l'exemple de réalisation considérée, aux épaulements 33 et 34 qui sont pressés l'un contre l'autre.L'écartement maximum entre ces deux épaulements 33 et 34 doit correspondre à l'avance maximum produite par un coup du marteau et elle est, par exemple, d'environ 10 à 15 mm. Sur la Fig. 2, on a représenté sous forme simplifiée le schémahydraulique de la perforatrice. Les conduites 36 qui mènent au cylindre 35 du marteau sont dessinées schématiquement, sans indication de l'inverseur hydraulique qui commande la course travaillante et la course de retour du piston 15 du marteau. Les conduites 37 d'alimentation du moteur 27 d'entratnement en rotation sont également indiqués sans les dispositifs de commande correspondants. Une pompe 38 qui débite la pression hydraulique nécessaire est reliée par l'intermédiaire d'un distributeur à trois voies 39 à commande électromagnétique au dispositif d1entrainejaent hydraulique 40 qui assure l'avance du corps 10 du marteau. Le dispositif d'entraînement est dans le cas considéré un moteur hydraulique 40, mais il pourrait aussi bien être constitué par un vérin à piston et cylindre. Dans les deux positions de travail du distributeur à trois voies 39, les conduites d'alimentation 41, 42 du moteur hydraulique 40 sont reliées, l'une à la conduite de pression alimentée par la pompe 38, et l'autre à la conduite de retour 43. Le sens du raccordement détermine le sens de rotation du moteur hydraulique 40.Dans le cas considéré, on suppose que, dans le sens de marche avant du moteur hydraulique 40, la conduite 42 constitue la conduite de pression et la conduite 41 la conduite de retour. Dans la position représentée du distributeur à trois voies 39, le dispositif d'entratnement pour l'avance du corps du marteau est à l'arrêt, de sorte que le ressort de pression hydropneumatique est également hors service- pour la précontrainte élastique de la tige de forage. Lorsqu'on déplace le tiroir du distributeur vers le haut à partir de la position moyenne représentée, la conduite 42 dans laquelle est intercalé un étranglement 44, se trouve reliée à la pompe 38 de sorte que le moteur hydraulique 40 et la chambre cylindrique 17 sont alimentés en pression. Ces deux récepteurs sont connectés en parallèle du point de vue hydraulique. La conduite de retour 41 du moteur hydraulique 40 est reliée à la conduite 43 qui débouche dans le carter 45. Le liquide hydraulique sort de la chambre cylindrique t7 par la conduite de sortie 20. Dans cette conduite 20 est intercalée une soupape de surpression 46 qui est couplée à un instrument indicateur 47. De la soupape de surpression 46 part une conduite 48 qui débouche dans le réservoir 45. De cette façon1 le circuit hydraulique traversant la chambre 17 du cylindre est fermé et l'agencement est tel que la chambre 17 est constamment parcourue par un courant de liquide hydraulique, de sorte que la chaleur qui s'y dégage est évacuée. La soupape de surpression 46 pourrait également être remplacée par un étranglement. Lorsque le moteur hydraulique 40 servant pour l'avance du corps du marteau doit développer une grande force, la pression s'élève à l t entrée du moteur hydraulique. Cette pression plus élevée est transmise à la chambre cylindrique 17 de sorte que la précontrainte du ressort hydropneumatique est toujours proportionnelle à la force d'avance avec laquelle le corps du marteau est poussée en avant par le moteur hydraulique 40. Si la force d'avance est plus faible, la résistance à l'écoulement opposée par le moteur hydraulique 40 est également plus faible, de sorte que le moteur hydraulique 40 est traversé par une plus grande quantité de liquide hydraulique par unité de temps.La perte de charge dans l'étrangle- ment 44 est donc plus élevée de sorte que la pression à l'entrée du moteur hydraulique 40 et la pression intérieure de la chambre 17 du cylindre décroissent. En remplacement du moteur hydraulique 40, on pourrait utiliser un vérin à piston et cylindre pour l'avance du corps du marteau. Dans ce cas, la conduite 42 serait reliée à la chambre du vérin d'avance et, en même temps à la chambre 17. La conduite de retour 41 serait reliée à la partie du vérin situé de l'autre caté du piston d'avance. Suivant l'invention, la précontrainte hydraulique du ressort de compression hydropneumatique, avec laquelle la tige de forage est sollicitée, est couplée à la force d'avance avec laquelle le corps du marteau est sollicité, de sorte que la force de précontrainte du ressort de compression hydropneumatique est toujours proportionnelle à la force d'avance avec laquelle le corps du marteau est sollicité. On obtient de cette façon une adaptation et une correspondance automatiques des deux forces. La Fig. 3 représente un mode possible d'utilisation de la perforatrice. Le corps 10 du marteau est monté mobile en translation longitudinale sur un affût 50. L'affût 50 comprend un rail de guidage monté sur véhicule à chenilles. Des vérins à piston et cylindre 52 et 53 servent à faire monter et descendre l'affût 50 ou à régler ltinclinaison de ce dernier. Le moteur hydraulique 40 utilisé pour l'avance du corps 10 du marteau se trouve sur l'afffit 50. Il entraine une chaine d'avance 54 représentée en traits interrompus sur la Fig. 3 et qui embrasse les roues de renvoi aux deux extrémités de l'affût 50. Les deux extrémités de la channe 54 sont solidaires du corps 10 du marteau. Le moteur hydraulique 40 entraine la channe 54 et, par ce moyen, fait avancer ou reculer le corps 10 du marteau sur l'affût 50, suivant son sens d'entralnement. Ainsi qu'on l'a déjà expliqué plus haut, le moteur hydraulique 40 applique le corps 10 du marteau sur la tige de forage (non représentée) avec une certaine pression d'appui. La Fig. 4 représente un exemple de réalisation dans lequel un corps de marteau déjà existant est équipé après coup d'un dispositif de précontrainte de la tige ou du train de tiges de forage. Ce dispositif de précontrainte est composé d'un cylindre 55 qui est appliqué de bas en haut contre la face terminale du corps 10 du marteau et dans lequel le piston annulaire 56 coulisse longitudinalement. Le cylindre 55 possède une forme annulaire et encercle l'extrémité d'emmanchement 57 de la tige extrême supérieure 58 du train de tiges de forage. Le piston 56, qui coulisse à joint étanche dans la surface interne du cylindre 55, est en appui par sa surface terminale inférieure contre une embase annulaire 59 de la tige 58.Le cylindre 55 ainsi que le piston 56 présentent en section une forme en U et le coté ouvert du profil en U du piston 56 est emmanché dans le cOté ouvert du profil en U du cylindre 55. Le liquide hydraulique est envoyé par la conduite d'entrée 19 dans la chambre délimitée par le cylindre 55 et le piston 56 et sort de cette chambre par la conduite de sortie 20. Le piston 56 exerce sur le train de tiges de forage une pression qui est proportionnelle à la pression du dispositif d'avance du corps du marteau. L'exemple de réalisation de la Fig. 5 est très analogue à celui de la Fig. 1 de sorte que la description donnée ci-après peut être limitée aux éléments de cet exemple qui sont différents de ceux représentés sur la Fig. 1. L'exemple de réalisation représenté sur la Fig. 5 ne comporte pas d'accumulateur extérieur à gaz sous pression. En remplacement, un accumulateur à gaz sous pression est logé sous la forme d'un tuyau flexible 61 dans un élargissement annulaire 60 prévu à ltex- trémité supérieure de la chambre 17 du cylindre. Le tuyau renferme un gaz sous pression dont on peut compléter la quantité au moyen d'une tubulure de remplissage obturable 62. Lorsque le piston annulaire 16 s'élève, le liquide hydraulique contenu dans la chambre cylindrique 17 comprime pendant un temps bref le tuyau 61 et le gaz sous pression qui est contenu dans ce tuyau avec une certaine précontrainte.Ensuite, le tuyau 61 et le gaz comprimé se détendent de sorte que le piston annulaire est aussitdt à nouveau poussé vers le bas et qu'il accompagne le mouvement de l'élément d'emmanchement Il solidaire de la tige supérieure. Comme dans exemple représenté sur la Fig. 1, le liquide hydraulique pénètre dans la chambre 17 par une conduite 19 et quitte cette chambre par la conduite de sortie 20. De cette façon, on obtient une circulatiun constante du liquide qui a pour effet de refroidir les éléments délimitant la chambre 17.La brève compression du tuyau 61 est rendue possible par le fait que le liquide hydraulique qui afflue dans la chambre 17 en passant par la conduite 19 est trop fortement freiné par effet d'étranglement des conduites pour pouvoir accompagner sans retard le trop rapide mouvement du piston annulaire 16. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la Fig. 6, le tuyau 61 de la Fig 5 est remplacé par un anneau 65 fait d'une matière pleine et qui est logé dans l'élargissement annulaire 60 de la chambre cylindrique 17. L'anneau 65 est composé d'une matière pleine capable de se comprimer élastiquement. On peut utiliser pour cette application, par exemple, certains caoutchoucs. La fonction de l'anneau 65 est la même que celle du tuyau 61 rempli de gaz sous pression de la forme de réalisation de la Fig. 5. Dans le cas où l'on utilise une matière pleine, on peut évidemment supprimer la conduite de remplissage. Pour la forme de réalisation représentée sur la Fig. 7, qui est très comparable à celle de la Fig. 4, on se contentera également de donner ci-après une explication des points par lesquels cette construction diffère de celle de la Fig. 4. Dans la chambre cylindrique formée par le cylindre 55 et le volume intérieur du piston 56, est logé un tuyau annulaire 66 qui est fixé à un support 67 relié au fond du cylindre 55. Ce tuyau 66 est rempli de gaz sous pression et muni d'une conduite de remplissage 68 qui débouche à l'extérieur. Le liquide hydraulique entourant le tuyau 66 est immobilisé à l'intérieur de la chambre située dans la chambre formée à l'intérieur du cylindre, c'est-à-dire qu'il n'est pas contenu dans un circuit comportant une conduite d'arrivée et une conduite de départ. Cette construction est bien appropriée, par exemple pour les marteaux à main. Dans ces marteaux, la force d'avance exercée sur le corps 10 du marteau et, par consé- quent, également la force de précontrainte que l'élément élastique 66 doit développer sont relativement faibles, de sorte que, fréquemment, il n'est pas nécessaire de prévoir de refroidissement. Dans l'esemple de réalisation représenté sur la Fig. 8, le tuyau 66 rempli de gaz prévu dans celle de la Fig. 7 est remplacé par un anneau 70 en matière élastique pleine. Cet anneau 70 se trouve à l'intérieur d'un piston annulaire creux 56 et il est entouré de tous côtés par le liquide hydraulique. La quantité de liquide hydraulique peut être complétée au moyen de la tubulure de remplissage 71. Naturellement, dans les constructions représentées sur les Fig. 7 et 8, des conduites d'arrivée et de départ peuvent être raccordées aux chambres lorsqu'il est nécessaire de prévoir un refroidissement par circulation d'un liquide hydraulique. - EVENDlCATIONS. 1 - Perforatrice comprenant un marteau perforateur destiné à frapper une tige ou un train de tiges, dont le corps comporte un ressort à fluide qui exerce sur la tige ou le train de tiges une précontrainte dirigée vers le fond du trou de forage, ce ressort étant constitué par un piston annulaire qui se déplace dans une chambre cylindrique solidaire du corps du marteau et contenant un fluide sous pression, ce piston exerçant une pression sur un épaulement annulaire solidaire de la tige ou du train de tiges, caractérisée en ce que la chambre cylindrique (17) contient un liquide hydraulique et est en communication hydraulique avec un élément élastiquement compressible (25, 61, 65, 66, 70). 2 - Perforatrice suivant la revendication 1, caractérisée en ce que 11 élément compressible (22) est relié à la chambre cylindrique (17) par l'intermédiaire d'une conduite hydraulique dans laquelle le liquide hydraulique peut circuler dans les deux sens. 3 - Perforatrice suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'élément compressible est constitué par un accumulateur à gaz sous pression (22, 61, 66). 4 - Perforatrice suivant ia revendication 3, caractérisée en ce que l'accumulateur à gaz sous pression (61, 66) est logé dans la chambre cylindrique. 5 - Perforatrice suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'élément compress4ble est constitué par un corps plein (65, 70) fait d'une matière élastique. 6 - Perforatrice suivant la revendication 2, caractérisée en ce que la conduite hydraulique (19) est reliée à la conduite de pression (42) d'un mécanisme d'avance hydraulique (40) et en ce que la surface effective du piston annulaire (16) est calculée de manière que la force hydraulique agissant sur le piston annulaire soit inférieure à la force d'avance qui agit sur le corps (10) du marteau. 7 - Perforatrice suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la chambre cylindrique annu lairé (55) est prévue à l'extérieur du corps (10) du marteau, sur la surface frontale de ce corps.