Brevet FR2465918A1 — publié le 19810327

L'invention concerne une chaise de palier pour la commande directe de trépans de forage ou d'outils ou appareils analogues utilisés en sondage composée de deux enveloppes tubu- laires coaxiales, l'une à l'intérieur de l'autre, l'une étant un arbre pouvant être relié, d'une part au rotor de la commande directe, d'autre part à l'outil, l'autre étant un carter de roulement, pouvant 9tre relié au stator de la commande directe ou à un train de tiges, des roulements à poussée axiale et des roulements à poussée radiale étant disposés dans l'espace annu- laire entre l'arbre et le carter de roulement. Dans les chaises de palier connues de l'état actuel de la technique, les roulements à poussée axiale doivent absor- ber des forces axiales considérables, dues à la force exercée sur le trépan, et qui, selon la nature de la roche et du processus de forage, présentent, dans le temps, une valeur plus ou moins constante, voire même fortement fluctuante. La charge spécifique des roulements à poussée axiale augmente alors quand diminue le diamètre des chaises, et atteint des valeurs parti- culièrement critiques pour des diamètres de chaises de palier inférieurs ou égaux à 95 mm. Les chaises de palier de l'état actuel de la techni- que utilisent, en tant que roulements à poussée axiale, des roulements à billes - les billes étant en acier ou en métal dur -, qui absorbent les forces axiales exercées dans les deux sens. Les roulements à poussée radiale sont exposés à des contraintes habituellement plus faibles, et sont composés, dans les réalisations connues, de paliers lisses, avec des surfaces de glissement en caoutchouc sur le c8té stator et en chrome, ou analogue, sur le c8té rotor. Tant les roulements à poussée axiale que les roule- ments à poussée radiale sont exposés à une forte usure, encore renforcée par l'effet des particules de roche se trouvant dans la boue de forage qui traverse les roulements. Il n'a jusqu'à maintenant pas été possible de disposer les roulements dans des zones étanchées, par exemple remplies d'huile, de l'espace annulaire, en raison de trop fortes pertes de fuite. En plus de cette *usure, les roulements traversés par la boue de forage soulèvent des problèmes graves pour maîtriser la partie de la boue de forage qui traverse la zone des paliers, et qui donc ne mouille pas convenablement l'outil. 2 2465918 L'invention a pour but de créer une chaise de palier du type décrit cidessus, qui résiste à des contraintes spécifiques particulièrement élevées, tant statiques que dyna- miques, et qui assure un positionnement rigoureux des paliers et roulements avec une usure considérablement plus faible. L'invention concerne à cet effet une chaise de palier, caractérisée en ce qu'au moins les roulements à poussée axiale sont formés de pièces moulées, pourvus, sur leur sur- face de roulement, d'une couche composée de particules de diamant noyées dans une pate de liaison. Une couche de roulement de ce genre a de préférence une épaisseur comprise entre environ 0,3 et 2 mm, les particules de diamant de la couche de roulement pouvant etre des grains de diamant naturel, synthétique ou poly- cristallin fricté, avec une granulométrie comprise entre environ 105 et 600 microns, de préférence entre environ 250 et 300 microns. De préférence, la concentration du diamant dans la couche de roulement est comprise entre environ 120 et 200 K, et est de préférence de l'ordre de 150 K. La chaise de palier selon l'invention présente des propriétés avantageuses pour ce qui concerne la stabilité mécanique, la résistance à l'usure et la précision de l'appui. Il est connu d'utiliser le diamant, en raison de sa dureté, sous la forme de cristaux individuels plus ou moins gros, ou sous la forme de conglomérats polycristallins frittés, pour des opérations de découpage ou de broyage. Si l'on utilise des particules de diamant pour des paliers et roulements, il faut s'attendre, en raison même de leur dureté, à un effet de ces particules extrêmement dures parfaitement contraire à ce que l'on attend normalement des paliers et roulements, lors du mouvement relatif, des surfaces de glissement, cet effet étant en l'occurrence une autodestruction par abrasion. Cependant, contre toute attente, les particules de diamant forment un treillis portant, certaines zones de la surface des roulements se rodant les unes sur les autres sur la surface de roulement, ces zones coulissant les unes sur les autres et absorbant en particulier des charges élevées avec une usure minimale, et ce, bien que les particules de diamant, avec leurs zones superfi- cielles qui se rodent pendant l'utilisation du roulement, ne comptent que pour une partie de la surface totale de contact du roulement (avec, en outre, une répartition et une forme de surface 3 22465918 irrégulières), et bien que les forces d'appui ne soient trans- mises qu'à un grand nombre de zones superficielles discrètes des paliers, allant d'une particule de diamant à une autre particule de diamant, à l'intérieur des surfaces de roulement coulissant les unes sur les autres. L'aptitude à recevoir des charges élevées se maintient même si les particules de diamant continuent à s'user par contact réciproque, même si, à cette occasion, il se produit une modification continue de la confi- guration des zones superficielles portantes des particules de diamant. Ce qui précède s'applique, dans tous les cas, tant que la somme de toutes les zones superficielles portantes des particules de diamant ne tombe pas en-dessous d'une valeur minimale. Malgré la fragilité de ce matériau, fragilité accompagnant la dureté du diamant, il faut constater que la couche de roulement est, elle-aussi, à même d'absorber sans être détériorée des chocs exceptionnellement élevés, ce que l'on pourrait expliquer par l'inclusion discrète des particules de diamant dans la masse de la couche de roulement, laquelle agit pour:ainsi dire comme un élément de compensation, et permet des modifications minimales du roulement, du type compensation, sans destruction du treillis porteur formé de particules de diamant. Suivant une autre réalisation de l'invention, la couche de roulement peut se composer d'un alliage métallique dur ou-d'une substance dure frittée, par exemple un carbure, avec une pâte de liaison formée d'un métal liant, par exemple le cobalt, le nickel, le laiton, ou analogue, la couche de roulement étant apposée sur cette dernière avec fixation par agglomération, par frittage, ou par brasage, d'éléments préfa- briqués de couches de roulement. Dans une autre réalisation, la couche de roulement peut aussi être formée lors du moulage de la pièce, grâce à une augmentation de la concentration des particules de diamant dans la zone des surfaces de roulement, de telle façon que la couche de roulement soit formée en meme temps que le frittage ou le moulage de la pièce moulée. La pièce moulée peut en outre se composer d'une seule pièce, seule ou ensemble avec la couche de roulement, et, en particulier dans le cas des roulements de grandes dimensions, être composée de plusieurs pièces réunies en une seule. De cette manière, il est possible d'avoir une fabrication bon marché, - même pour des roulements de grandes dimensions. Il est avantageux de prévoir dans la couche de roulement, et éventuellement même dépassant de cette dernière en allant jusqu'à la pièce moulée, des canaux de passage, en forme de fente, destinés au passage de la boue de forage, ce passage ayant un débit rigoureusement défini et s'étendant d'un coté à l'autre de la surface de roulement, canaux aidant non seulement à refroidir les particules de diamant, mais pouvant aussi permettre au roulement de jouer le r8le d'un dispositif réducteur d'écoulement permettant de maintenir entre des limites étroites, prédéfinies, la quantité de boues de forage dérivées pendant le fonctionnement de la chaise de palier. Pour avoir une fonction supplémentaire d'étranglement de l'écoulement, il est de plus avantageux qu'au moins l'un des roulements à poussée radiale, disposé en amont ou en aval d'un roulement à poussée axialeou d'un groupe de roulement à poussée axiale de la chaise de roulement, se compose, pour ce qui le concerne, de pièces moulées ayant une surface de roulement formée d'une couche de roulement en diamant, m9me si, en raison des faibles forces de roulement agissant sur les roulements à poussée radiale dans une chaise de palier, cette disposition n'est pas nécessaire. L'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et des dessins annexés, qui représentent des exemples de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels: - la figure 1 présente une demi-coupe axiale schématique d'une chaise de palier selon l'invention; - la figure 2 est une représentation en coupe partielle analogue à la figure 1 d'une autre réalisation de l'invention; - les figures 3 et 4 sont des représentations en coupe partielle, analogues à la figure 2, d'autres réalisations de l'invention; - les figures 5 à 8 présentent des coupes de diffé- rentes réalisations de paliers à poussée axiale disposés dans une chaise de palier selon l'invention; - les figures 9 et 10 sont des vues frontales de couronnes de paliers à poussée axiale, assurant la mise en évidence de canaux de passage dans la couche de roulement. 2465918 Les figures 1 à 4 représentent chacune une chaise de palier pour la commande directe de trépans de forage ou d'outils analogues travaillant dans un trou de sonde, cette chaise se composant de deux enveloppes tubulaires 1, 2 disposées coaxialement l'une à l'intérieur de l'autre. L'enveloppe tubu- laire 1 forme un carter de roulement, qui peut être relié, à son extrémité supérieure, c'est-à-dire à son extrémité éloignée de l'outil, au stator du mécanisme d'entraînement direct, non représenté, ou à un train de tiges. Ce carter de roulement se compose, sur la figure 1, de plusieurs sections 3, 4, 5 de carter, tubulaires, assemblées les unes aux autres, en particu- lier par vissage. Des sections correspondantes de carter tubu- laire, quoique présentant des formes différentes, sont repré- sentées sur les figures 2 à 4 par les repères 4' et 5'. L'enveloppe tubulaire 2 forme un arbre pouvant être relié d'une part au rotor de la commande directe, et d'autre part à l'outil, non représenté, arbre dont le c8té extérieur limite, avec le côté intérieur du carter de roulement 1, un espace annulaire 6. Dans cet espace annulaire sont disposés, dans la réalisation de la figure 1, un roulement à poussée radiale supérieur 7 et un roulement à poussée radiale inférieur 8, roulements entre lesquels se trouvent deux roulements à poussée axiale 9, 10. Le roulement à poussée axiale supérieur 9 joue son rôle de roulement quand la résultante des forces axiales tend à produire une insertion, l'un dans l'autre, du carter de roulement 1 et de l'arbre 2, et le roulement à poussée axiale inférieur 10 joue son rôle de roulement quand la résul- tante des forces axiales a tendance à extraire les pièces 1, 2 l'une de l'autre. Pour pouvoir transférer ces forces axiales variables, l'arbre 2 peut se déplacer par rapport au carter de roulement 1, non seulement selon un mouvement de rotation, mais encore selon un déplacement axial limité. La réalisation de la chaise de palier selon la figure 2 présente une disposition ne possédant qu'un seul roule- ment à poussée radiale supérieur 7, avec, en-dessous, des roulements à poussée axiale 9, 10. Les réalisations de chaises de palier selon les figures 3 et 4 possèdent un roulement à poussée radiale inférieur 8 et une disposition, en parallèle, de roulements à poussée axiale 9', 10', les roulements 10' de la figure 3 servant d'appuis, tandis que, dans la figure 4, ce 6 2465918 sont les roulements 9' qui jouent le rôle d'appui. Les roule- ments à poussée axiale et'à poussée radiale 7, 8, 9, 10, 9', 10' présentés sur les figures 1 à 4 sont des roulements formés d'une pièce moulée possédant une couche de roulement, occupant la surface de roulement, cette couche étant formée de particules de diamant insérées dans une pâte de liaison. Dans le cas des roulements à poussée radiale 7, 8, les pièces moulées se compo- sent de tronçons de cylindre creux 11, 12, une couche de roule- ment 13 se trouvant sur la surface latérale extérieure de la pièce moulée Il disposée radialement vers l'intérieur, et une couche de roulement 14 se trouvant sur la surface latérale intérieure de la pièce moulée 12 disposée radialement vers l'extérieur. Dans le cas du roulement à poussée axiale 9, les pièces moulées 15, 16 ont la forme de tronçons de couronne, garnies d'une couche de roulement, respectivement 17 et 18, sur leurs c8tés frontaux placés l'un en regard de l'autre, dans la zone de leurs surfaces de roulement en contact réciproque. Le roulement à poussée axiale 10 est construit avec des pièces 15', 17', et 16', 18',de forme analogue, bien qu'inversement disposées. Les roulements à poussée axiale 9', 10' des figures 3 et 4 se composent de pièces moulées 19, 20, ayant chacune une couche de roulement 21, 22 disposée sur un côté, et de pièces moulées 23, ayant chacune une couche de roulement 24 disposée des deux c8tés. La figure 5 représente, à échelle agrandie, un roulement à poussée axiale 9, du type de celui utilisé sur la figure 1. Comme le montre schématiquement le dessin, la couche de roulement 18 de la pièce moulée 16 contient des particules de diamant ayant une granulométrie relativement grosse, c'est-à- dire une granulométrie comprise dans la moitié supérieure de la plage de granulométries, préférée selon l'invention, de 105 à 600 u. La couche de roulement 17 de la pièce moulée 19 possède, comme il est présenté d'une manière schématique, des particules de diamant dont la granulométrie se trouve dans la moitié inférieure de la plage de granulométries mentionnée ci-dessus. En outre, la couche de roulement 18 est représentée dans une exécution o elle a une épaisseur un peu plus grande que celle de la couche de roulement 17. Les deux couches de roulement se déplacent cependant pour une épaisseur, préférée selon l'inven- tion, comprise entre environ 0,3 et 2 mm. De même, la concen- 2 2465918 tration des particules de diamant dans les deux couches de roulement se trouve, selon l'invention entre K 120 et k 200. Dans la réalisation d'un roulement 9 présentée sur la figure 6, les couches de roulement 17 et 18 sont identiques pour ce qui concerne l'épaisseur, la granulométrie des parti- cules de diamant et la concentration de ces particules. Les deux couches de roulement 17 et 18 de la figure 6 possèdent des particules de diamant ayant une granulométrie égale par exemple a 250 /u. Dans le roulement 9 de la figure 7, les couches de roulement 17, 18 se distinguent de celles de la figure 6 par une épaisseur un peu plus grande et une granulométrie des particules de diamant identique pour les deux couches de roule- ment, mais un peu plus grande, par exemple de l'ordre de gran- deur d'environ 400 /u. Dans le roulement représenté sur la figure 8, on voit une pièce moulée 23 garnie des deux c8tés de couches de roulement 24, cette pièce moulée possédant à sa partie supérieure une pièce moulée 19 possédant une couche de roulement 21, et à sa partie inférieure une pièce moulée 20 possédant une couche de roulement 22, qui, au contraire des réalisations des figures 3 et 4, créent un contact de roulement simultané. Les couches de roulement 24 ont une structure correspondant approxi- mativement à celle des couches de roulement 18 des figures 5 et 7, tandis que les couches de roulement 21 et 22 correspondent aux couches de roulement 17 des figures 5 et 6. Les couches de roulement 13 et 14 des roulements à poussée axiale 7 et 8 présentent une structure analogue, mais ne sont pas représentées plus en détail sur les dessins. Comme on le voit sur la figure 9, il est prévu, dans la couche de roulement 18 de la pièce moulée 16, des canaux 25 destinés au passage, rigoureusement défini du point de vue du débit, de la boue de forage d'un c8té de la surface de roule- ment à l'autre. Ces canaux sont, dans l'exemple de la figure 9, disposés d'une manière radiale et rectiligne. Si, comme on le voit sur la figure 9, la couche de roulement 18 se termine, du c8té de la surface de roulement, en affleurement avec la partie conriguë 26 de la pièce moulée 16, les canaux de passage 25 dépassent de la couche de roulement 18 pour traverser aussi la zone voisine 26 de la pièce moulée 16. 2 2465918 Dans la réalisation de la figure 10, qui représente une pièce moulée 19 selon la figure 8, et dans laquelle la couche de roulement 21 est disposée en relief sur le côté surface de roulement de la pièce moulée 19, il est prévu des canaux de passage 27, en forme darc, et conduisant uniquement du bord intérieur au bord extérieur de la couche de roulement 21. On peut, dans le cas des roulements à poussée radiale, prévoir des canaux de passage analogues, non représentés, et s'étendant parallèlement à l'axe du roulement, d'une manière rectiligne, sur toute la hauteur des couches de roulement 13 et 14 ou des pièces moulées 11 et 12. On peut aussi avoir des canaux de passage ayant une forme spirale dans les couches de roulement 13 et 14. Les pièces moulées portant la couche de roulement peuvent se composer d'un alliage métallique dur, mais sont fabriquées de préférence à partir d'une substance frittée dure, par exemple du carbure de tungstène, du carbure de tantale, du carbure de titane, etc, en utilisant une pâte de liaison formée d'un métal liant, par exemple le cobalt, le nickel, le laiton, le bronze, ou analogue. La couche de roulement peut être formée lors du frittage des pièces moulées, par les techniques de la métallurgie des poudres, et disposée sur la pièce moulée ou à l'intérieur de cette dernière, cette opération étant réalisée par exemple par l'application dans le moule de frittage, en un point convenable, d'un mélange de particules de diamant et d'une poudre métallique liante, et se continuant par l'introduction, dans le moule, de poudre de carbure et de poudre du métal liant. Après le frittage, la pièce moulée et la couche de roulement forment une unité. Il est de m9me possible de prévoir, dans le moule de frittage, des particules de diamant, en une quantité adéquate, seulement dans la partie du moule prévue pour la couche de roulement, et d'introduire ensuite dans le moule de frittage de la poudre de carbure ou de métal liant la poudre de carbure, sans ajouter un métal liant particulier pour les parti- cules de diamant. Dans ce cas, le matériau destiné à la pièce moulée forme en même temps la pâte de liaison destinée à la couche de roulement, laquelle, en quelque sorte, est formée par un enrichissement par des particules de diamant. On peut aussi, fabriquer la couche deroulement directement en tant que pièce moulée ou partie de pièce moulée, 2 2465918 puis l'appliquer sur une pièce moulée fabriquée par ailleurs, par exemple par brasages collages etc. Une fabrication de ce genre, composée de deux fabrications distinctes et d'un assem- blage des pièces, est recommandée quand il est difficile ou impossible d'introduire une pâte pour couche de roulement sous une forme permettant la fabrication des pièces mouléesb Les pièces moulées peuvent être fabriquées d'une seule pièce, ce qui ne présente aucune difficulté, en particu- lier pour les formes simples et les petites pièces. Dans le cas des pièces moulées de grandes dimensions, ou bien quand elles ont une forme un peu complexe, il est en outre possible de réaliser les pièces moulées à partir de plusieurs pièces moulées partielles, chacune devant être fabriquées spécialement au préalable. C'est la forme de la pièce moulée qui détermine la forme que doivent avoir les pièces moulées partielles, dans une fabrication de ce genre. Dans le cas des paliers à poussée radiale, il est par exemple possible de former leurs pièces moulées à partir d'anneaux concentriques et en contact, tandis que, dans le cas des paliers à poussée axiale, dont les pièces moulées ont la forme de bagues, on peut réaliser ces dernières à partir de segments de couronnes. Les réalisations de roulements présentées ci-dessus, ainsi que les compositions correspondantes, ne sont que des exemples des nombreuses manières dont on peut modifier une chaise de palier en fonction des conditions spéciales qui s'y rattachent. C'est ainsi que l'on peut envisager de combiner des roulements à poussée axiale et des roulements à poussée radiale, par exemple en munissant une pièce moulée destinée à un roule- ment à poussée axiale d'un épaulement servant de pièce moulée pour le roulement à poussée radiale, les pièces moulées corres- pondant à une combinaison de ce genre roulement à poussée axiale/roulement à poussée radiale étant garnies sur leur sur- face de roulement, d'une couche de roulement, conforme à l'in- vention, destinée au support axial. Il est de môme possible de prévoir des couches de roulement possédant des particules de diamant, même sur les surfaces de roulement destinées au support radial, mais, dans ce cas, il peut aussi suffit d'utiliser les pièces moulées avec des surfaces de roulement formées par ces mêmes pièces moulées, en particulier quand elles sont formées à partir d'un métal dur ou d'un carbure fritté. 2465918 Bien que, dans le présent descriptif, les paliers aient été décrits à propos de chaises de palier destinées à la commande directe, il est bien entendu qu'ils peuvent être uti- lisés d'une manière générale dans les appareils et outils employés dans les forages, et o les paliers fonctionnent dans des conditions analogues et subissent des contraintes analogues. 2l2465918 R E V E N D I C A T I 0 N S ) Chaise de palier pour la commande directe de trépans de forage ou d'outils ou appareils analogues utilisés en sondage, composée de deux enveloppes tubulaires coaxiales, l'une à l'intérieur de l'autre, l'une (2) étant un arbre pouvant être relié, d'une part au rotor de la commande directe, d'autre part à l'outil, l'autre (1) étant un carter de roulement, pouvant être relié au stator de la commande directe ou à un train de tiges, des roulements à poussée axiale et des roulements à poussée radiale étant disposée dans l'espace annulaire entre l'arbre et le carter de roulement, chaise de palier caractérisée en ce qu'au moins les roulements à poussée axiale (9, 10) se composent de pièces moulées (15, 16; 15', 16') possédant une couche de roulement (17, 18, 17', 18') sur leur surface de roulement, cette couche étant formée de particules de diamant noyées dans une pàte. 2 ) Chaise de palier selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche de roulement (17, 18; 17', 18'; 21, 22; 24) présente une épaisseur comprise entre environ 0,3 et 2 mm. ) Chaise de palier selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les particules de diamant de la couche de roulement (17, 18, 17', 18'; 21, 22; 24) se composent d'éléments en diamant naturel, synthétique ou polycristallin frittés, ayant une granulométrie comprise entre environ 105 et 600 microns, de préférence entre environ 250 et 300 microns. 4 ) Chaise de palier selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la concentration des particules de diamant dans la couche de roulement (17, 18; 17', 18'; 21, 22; 24) se trouve approximativement dans la plage comprise entre K 120 et K 200, et est en particulier égale à environ K 150. ) Chaise de palier selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée ence que la pièce moulée (15, 16, 15', 16'; 19, 20, 23) portant la couche de roulement (17, 18, 17', 18'; 21, 22; 24) se compose d'un alliage métal- lique dur ou d'une substance frittée dire, comme par exemple un carbure avec un liant métallique, par exemple le cobalt, le nickel, le laiton ou assimilé, la couche de roulement étant appliquée sur cette pièce moulée par agglomération par frittage il ou par brasage, ou assimilé, d'éléments préfabriqués de couches de roulement. ) Chaise de palier selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la couche de roule- ment (17, 18; 17', 18'; 21, 22, 24) est formée, lors du for- mage des pièces moulées (15, 16; 151, 16'; 19, 20, 23) par enrichissement des particules de diamant dans la zone de surface de roulement de ces pièces moulées. ) Chaise de palier selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la pièce moulée (15, 16; 15', 16'; 19, 20; 23) est, seule ou ensemble avec la couche de roulement (17, 18, 17', 18'; 21, 22, 24) composée d'une pièce unique ou de plusieurs pièces pour former une unité complète. 8 ) Chaise de palier selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'il est prévu dans la couche de roulement (17, 18; 17', 181; 21, 22; 24) des canaux de passage (25, 26) en forme de fente, destinés au passage, rigoureusement défini en débit, d'une boue de forage d'un c8té à l'autre de la surface de roulement. 9 ) Chaise de palier selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'au moins l'un des roulements à poussée radiale (7, 8) disposés en amont ou en aval d'un roulement à poussée axiale (9, 10; 9', 10') ou d'un groupe de roulements à poussée axiale se compose de pièces moulées (11, 12) présentant des surfaces de roulement (13, 14) en une couche de roulement possédant des particules de diamant noyées dans une pâte.