Brevet FR2491990A1 — publié le 19820416

La présente invention concerne, d'une manière générale, les trépans de forage rotatifs et elle se rap- porte, plus particulièrement, à une surface de palier de butée perfectionnée entre le tourillon support et la mo- lette conique rotative du trépan. Un trépan de forage rotatif pour roches comprend, dans l'ensemble, un corps de trépan principal conçu pour être assemblé à un train de tiges de forage par rotation. Le trépan comprend des molettes coniques rotatives indi- viduelles montées sur des tourillons supports qui s'éten- dent chacun à partir d'un bras du corps de trépan princi- pal. Des ensembles de paliers sont prévus entre chaque molette conique et le tourillon support correspondant pour réduire le frottement résultant de la rotation de la mo- lette lorsque le trépan et les molettes tournent pendant le forage. Pour obtenir des vitesses de pénétration accep- tables avec un trépan pour roches, dans certaines forma- tions, il est nécessaire d'appliquer de fortes charges au trépan et de faire tourner le trépan à une vitesse modé- rée. Avec d'autres formations, il n'est besoin d'appli- quer que des charges modérées mais le trépan doit fonction- ner à des vitesses relativement élevées. En outre, le trépan de forage rotatif pour ro- ches fonctionne dans un milieu extrêmement abrasif et cor- rosif et il est soumis à des températures extrêmes étant donné que l'opération de forage est souvent effectuée à des milliers de mètres audessous du niveau du sol, région o des températures élevées sont rencontrées. On refroidit le trépan en balayant sa surface extérieure avec un fluide de forage qui sert également à évacuer les débris de forage. Ce fluide est généralement corrosif et extrêmement nuisi- ble pour les surfaces de portée dans le cas o il peut y parvenir. Ainsi, compte tenu de ces circonstances, on com- prendra aisément qu'un ensemble de paliers pour un trépan pour roches doit être construit de telle sorte qu'il assu- 2 2491990 re des caractéristiques de performances exceptionnelles à l'intérieur d'une configuration géométrique restreinte. Etant donné que l'ensemble du train de tiges doit être retiré pour remplacer le trépan en cas de défaillance de ce dernier, il est extrêmement souhaitable que les en- sembles de paliers du trépan fonctionnent pendant une longue période de temps. La mise au point des trépans de forage rotatifs pour roches à paliers lisses a entraîné l'emploi de surfaces radiales appariées perpendiculaires à l'axe de rotation en- tre le tourillon et la molette conique en tant que surfaces de palier de butée. La surface radiale formée sur le tou- rillon porteur contient habituellement une rainure circulai- re qui entoure le téton de guidage qui s'étend axialement à partir de cette surface. Jusqu'à présent, lorsqu'une telle rainure était présente, elle était complètement rem- plie d'un métal dur ayant une capacité démontrée de résis- tance à l'usure mais bien plus onéreux que le métal du tou- rillon porteur. Pour diminuer l'usure, la surface de por- tée radiale de la molette conique en vis à vis peut être cémentée et elle peut contenir diverses empreintes, telles que des fentes ou des évidements percés contenant un allia- ge en métal relativement tendre, tel que du cuivre, de l'argent, du cuivre-beryllium ou du bronze-aluminium pour former une paire de surfaces de portée comportant un métal dur en appui contre un métal tendre. Il est également déjà connu dans la technique an- térieure de prévoir un réservoir à lubrifiant étanche et un circuit de distribution de lubrifiant pour alimenter en lubrifiant les diverses surfaces de portée entre le touril- lon porteur et la molette conique. De tels circuits de lu- brification comprennent typiquement une membrane souple a- yant un côté faisant face au lubrifiant et son autre côté en communication avec l'extérieur du trépan pour égaliser la pression entre l'intérieur et l'extérieur du trépan et per- mettre au lubrifiant provenant du réservoir d'être fourni par 3 2491990 l'intermédiaire des passages à lubrifiant aux surfaces de portée pendant que le train de tiges est entraîné en ro- tation dans le trou. En outre, il est de pratique couran- te de graisser chaque palier avec une "graisse d'enduc- tion" avant l'assemblage de la molette conique sur le tou- rillon. Dans le brevet des EUA n0 3.235.316 au nom de J.R. Thanger, accordé le 15 février 1966, a été représenté un palier de butée lisse pour un trépan pour roches qui est muni de régions de surface alternantes de matière ré- sistant à l'usure et de matière anti-éraillures. L'ensem- ble de paliers qui y est décrit comprend des rainures for- mées dans la surface de portée de l'organe rotatif remplies d'un métal tendre présentant des caractéristiques anti-é- raillures pour réduire encore davantage le frottement entre les deux surfaces. La présente invention a pour objet un trépan de forage à molettes coniques roulantes ayant des surfaces de portée de rebord de butée opposées formées sur le tou- rillon et sur la molette conique tournante. La surface de portée du tourillon comporte une rainure concentrique ayant des segments arqués séparés ou parties de rainure remplis d'un métal dur et usinés dans le plan général de la surface de portée de palier de butée pour définir une surface d'ap- pui pour la surface de portée de palier de butée de la mo- lette conique, surface d'appui qui comprend une série de surfaces de portée séparées en métal dur. Les vides ou po- ches entre les segments arqués de métal forment des réser- voirs à lubrifiant immédiatement adjacents à chaque partie de portée séparée qui sont remplis de 'graisse d'enduction" et forment également des pièges à débris dans lesquels les débris résultant de l'usure peuvent se déposer avant qu'ils aient pu endommager les surfaces de portée correspondantes usinées. Le métal dur déposé dans la rainure, forme également des angles abrupts à l'extrémité aval de chaque vide ou po- che pour réduire au minimum la ré-introduction des débris 4 2491990 d'usure dans les surfaces de portée et délimite des parties dégagées ou évidées dans l'extrémité amont pour permettre une recharge en lubrifiant (c'est-à-dire de la graisse d'enduction) avec du lubrifiant provenant du réservoir sous pression. En outre, du fait que la rainure n'est remplie que de manière intermittente dans certains segments arqués de ladite rainure avec le métal dur, l'emploi de cette ma- tière onéreuse est réduit au minimum tandis que, néanmoins, un meilleur palier est obtenu de ce fait. D'autres caractéristiques de l'invention apparal- tront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel: La figure 1 est une vue en coupe d'un bras de trépan de forage selon la présente invention, approxima- tivement suivant l'axe vertical dudit trépan; La figure 2 est une vue en plan du rebord de butée du tourillon porteur représenté sur la figure 1; La figure 3 est une vue en coupe, à plus grande échelle, prise suivant la ligne III-III de la figure 2; et La figure 4 est une vue isométrique du rebord de butée du tourillon porteur de la figure 1. Sur la figure 1 à laquelle on se référera main- tenant, on a représenté une coupe d'un bras 13 d'un trépan tricÈne 10 pour roches. Il est bien entendu que le trépan comprend deux autres bras similaires s'étendant vers le bas à partir du corps 11 du trépan et qui sont construits de la même manière que le bras décrit ci-dessous. Une molette conique roulante 14 est montée à rotation sur la partie de portée lisse ou tourillon sup- port lisse 18 du bras 13. Lorsque la molette conique tour- ne, la structure de coupe 15 formée sur la surface de la molette 14 entre en contact avec les formations terrestres et les désagrège d'une manière bien connue. La structure de coupe 15 a été représentée comme étant constituée par des pastilles rapportées en carbure de tungstène fritté0 Cependant, il est bien entendu que d'autres structures de coupe, telles que des dents d'acier, peuvent être utilisées sur la molette conique 14. Le corps du trépan 10 comporte une partie supé- rieure filetée qui permet d'assembler le trépan à l'ex- trémité d'un train de tiges de forage par rotation et il comporte, en outre, un passage central qui s'étend suivant l'axe du trépan pour permettre au fluide de fo- rage de pénétrer dans le trépan à partir de la partie su- périeure du train de tiges (une telle structure n'a pas été représentée mais elle est bien connue dans la techni- que). Le fluide de forage sort du corps du trépan au-des- sus des molettes et s'écoule vers le bas jusqu'au fond du puits de forage pour balayer les débris et déblais de fo- rage hors du puits de forage. Un ensemble de paliers formant une série de pa- liers est disposé dans la région située entre la molette 14 et le tourillon support 18. Les paliers comprennent un palier lisse extérieur 19, un palier de roulement formé par une série de billes de roulement 20, un palier lisse intérieur 21 et un bouton de butée 22. Un joint d'étan- chéité approprié, tel qu'un joint torique 23, est posi- tionné entre la molette 14 et le tourillon support 18. Ce joint retient le lubrifiant dans l'ensemble de paliers et empêche que les matières contenues dans le puits de forage pénètrent dans la région de portée. Un passage,24 permet l'introduction en position des billes qui forment le palier à billes 20 après que la molette conique a été placée sur le tourillon support 18. La série de billes de roulement 20 sert à verrouiller la molette conique 14 sur le tourillon support 18. Une fois les billes en place, on introduit dans le passage 24 un bouchon 25 que l'on soude au moyen d'une soudure 26. Le bouchon 25 a un diamètre ré- duit sur la plus grande-partie de sa longueur pour permet- tre au lubrifiant de s'écouler dans le passage 24. Une chambre cylindrique 16 à réservoir est formée dans le corps 11 du trépan. Un réservoir 27 à lubrifiant 6 2491990 contenant un lubrifiant approprié est disposé dans la cham- bre 16. Le réservoir 27 à lubrifiant est constitué par une boîte 28 à lubrifiant à laquelle une membrane souple 29 est fixée. Un passage 30 communiquant avec l'extérieur permet à la pression du fluide contenu dans le trou de son- de d'être appliquée à la membrane souple 29. Un passage s'étend entre la chambre 16 et la région de portée en- tre la molette 14 et le tourillon support 18. Le lubri- fiant contenu dans le réservoir 27 peut ainsi s'écouler par le passage 35 jusqu'aux régions de portée en passant par les passages 24 et 34 formés dans le tourillon porteur. La mise au point des trépans pour roches à palier lisse a entrainé l'emploi de surfaces radiales d'appui ap- pariées 32 et 33 formées respectivement sur le tourillon et sur la molette et constituant les surfaces de portée d'un palier de butée. La surface radiale 32 formée sur le tou- rillon support est appelée habituellement rebord intérieur du palier. Jusqu'à présent, ce rebord contenait une rainu- re circulaire, telle que la rainure 31, pratiquement complè- tement remplie d'un métal dur qui présente une capacité dé- montrée de réduire le frottement et de résister à l'usure. La rainure sert de gouttière de retenue dans laquelle le métal peut être appliqué, par exemple, par fusion dans la- dite rainure, et, après solidification, on l'usine aux di- mensions et au fini de surface appropriés. La surface ra- diale correspondante 32 formée dans la molette est cémen- tée de façon à former une face plus dure que l'acier normal. Comme représenté sur la figure 1, la surface 32 du rebord de butée formé sur le tourillon support 18 est en appui contre la surface 33 du rebord de butée formée à l'in- térieur de la molette conique transmettant ainsi, avec les autres surfaces de l'ensemble de paliers, le poids et la force dirigés vers le bas, du train de tiges à la molette conique 14. Sur les figures 2 et 3 auxquelles on se référera maintenant, on a représenté de manière plus détaillée le 7 2491990 tourillon porteur 18, ces vues montrant le rebord de bu- tée 32. La présente invention empêche ou réduit l'usure en avalanche (habituellement définie comme l'usure provo- quée par une particule séparée, ou une aspérité sur l'une des surfaces d'appui, qui adhère ou se soude à froid à une surface de portée causant des dommages localisés à la sur- face de portée et créant de nouvelles particules de dé- bris d'usure transférées ou détachées, chacune des telles particules occasionnant, à son tour, de nouveaux dommages aux surfaces de portée et la production de particules, en progression géométrique) entre les surfaces de portée 32 et 33 du palier de butée, en fournissant des poches ou vi- des 36 facilement accessibles qui servent de pièces à dé- bris pour les débris d'usure et pour les particules de contaminants entre les segments 37 de métal dur. (Des particules de contaminants sont quelquefois introduites lors de la fabrication et de la manutention des pièces au cours de l'assemblage). Ces poches servent également de réservoirs à lubrifiant pour fournir du lubrifiant ou com- penser les pertes de lubrifiant de l'interface entre les surfaces d'appui 32 et 33. En outre, l'emploi réduit du métal dur-plus onéreux dans la rainure 31 réduit la quanti- té de cette matière nécessaire pour fournir la surface de portée. Comme représenté sur la figure 2, il est préfé- rable que des segments 37 de la rainure 31 ayant une orien- tation spécifique soient remplis de métal dur. Ainsi, la partie inférieure de la rainure 31 (telle que déterminée lorsque le trépan est dans sa position de fonctionnement verticale) est remplie sur un angle inclus d'environ 145 pour former un segment 37a de palier de butée en métal dur, étant donné que c'est la région qui reçoit la plus grande charge de poussée (représentée par la flèche dirigée vers le bas sur la figure 2) pendant l'opération de forage. Les 2150 restants de la rainure annulaire 31 sont constitués par des vides 36 et des segments remplis 37 alternés d'ap- proximativement la même étendue. En outre, on peut voir que la paroi extérieure 38 de la rainure 31, au voisinage de la partie amont de chaque vide ou poche (dans le sens de rotation de la molette conique tel qu'indiqué par la flèche arquée sur la figure 2) comporte un léger dégagement ou évidement 40. Il est prévisible que la rotation de la molette 14 sur le tourillon 18 produira un certain vacillement (en particulier après qu'une certaine usure se sera produite) entre eux de sorte que les surfaces 32 et 33 des rebords de butée, respectivement du tourillon et de la molette, seront de temps à autre séparées au cours de la rotation. On estime que lorsque ces surfaces seront dans une disposition espacée, le lubrifiant pénè- trera entre elles pour compenser la graisse d'enduction éventuellement perdue par l'interface entre les surfaces du palier de butée; cependant, la partie évidée 40 for- me également une ouverture qui permet l'entrée du lubri- fiant dans les poches 36 pour remplacer le lubrifiant qui en est enlevé pour être placé entre les surfaces de portée. En outre, la partie évidée 40 est placée dans une région (c'est-à-dire en amont par rapport au sens de rotation de la molette) d'o les débris d'usure et les particules de contaminants qui sont refoulés par la rotation de la mo- lette 14 dans la région aval ne peuvent s'échapper pour recirculer. Sur la figure 4 à laquelle on se référera main- tenant, on a représenté une vue en perspective de la sur- face 32 de palier de butée, du tourillon support 18. Com- me on peut le voir sur cette figure, l'épaulement aval 42 qui définit le bord ou épaulement initial du métal dur du segment 37 dans la rainure constitue un épaulement rela- tivement raide (c'est-à-dire ayant une face s'étendant essentiellement axialement qui se termine par un angle vif au sommet de la surface de portée 32) pour faciliter la retenue des débris d'usure à l'intérieur de la poche. Ainsi, on a réalisé une surface de portée de pa- 9 2491990 lier de butée sur le tourillon qui utilise une quantité mi- nimale de métal dur et qui fournit également des réservoirs à lubrifiant pour alimenter en lubrifiant l'interface en- tre les surfaces 32 et 33 du palier de butée et qui forme également une série de pièges à débris d'accès facile pour éliminer les débris d'usure et les particules de contami- nants d'entre les surfaces d'appui avant que de tels dé- bris aient eu la possibilité de se déplacer sur les sur- faces d'appui sur une distance tant soit peu importante, les poches 36 étant placées à des intervalles réguliers et rapprochés de façon à réduire l'usure en avalanche. REVENDICATIONS 1) Trépan de forage perfectionné ayant un corps (11) de trépan comportant un bras porte-molette (13) à partir duquel un tourillon support (18) s'étend vers le bas et définit un axe de roulement et une molette conique roulante (14) montée à rotation sur ce tourillon, ce tourillon et la molette comportant des surfaces annulai- res s'étendant axialement respectives (32, 33) en vis à vis, le trépan ayant un circuit de distribution de lu- brifiant pour fournir un lubrifiant auxdites surfaces, ca- ractérisé en ce que: la surface annulaire (33) de la molette forme une première surface de palier de butée; en ce que: la surface annulaire (32) du tourillon (14) com- porte une rainure annulaire axialement ouverte (31), plu- sieurs segments arqués de cette rainure étant remplis d'un métal dur (37, 37a) pour former de ce fait une surface de portée en métal dur, séparés par des segments arqués dis- tincts formant des vides ou poches (36) entre eux; et en ce que: ces vides forment, entre les parties arquées en métal dur, des ouvertures circonférentielles qui forment des réservoirs à lubrifiant pour l'introduction de lubri- fiant sur les surfaces de portée de palier de butée pen- dant la rotation de ladite molette conique pour regarnir en lubrifiant l'interface entre elles, les vides formant également des pièges à débris pour les débris d'usure et les particules de contaminants. 2) Trépan selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des ouvertures (40) orientées radialement débouchant dans la partie amont des vides (36). 3) Trépan selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque segment rempli (37, 37a) délimite une surface s'étendant axialement à l'intérieur de la rainure, orientée dans la direction de rotation de la molette pour former un angle relativement vif avec la surface de portée du segment 11 2491990 de sorte que les angles vifs réduisent au minimum l'échap- pement des débris hors-des vides. 4) Trépan selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'un au moins des segments (37a) remplit la partie inférieure de la rainure (31) sur une plus grande longueur d'arc que les segments restants.