Brevet FR2489878A1 — publié le 19820312

1. L'invention concerne de façon générale les trépans de forage, et elle concerne en particulier un trépan de mine possédant des caractéristiques qui réduisent le frottement et l'usure des fraises sur les branches du trépan. Dans certaines opérations de la mine, on fore des trous de mine jusqu'à une profondeur de l'ordre de 15 mètres pour y placer des explosifs. On utilise communément un tré- pan de forage possédant trois fraises ou cOnes rotatifs. Le trépan est fixé à l'extrémité de la tige de forage qui est mise en rotation, faisant tourner les fraises et entraînant une désintégration de la formation rocheuse. Un trépan typique possède trois portions de tête qui sont assemblées avec les fraises et sont ensuite soudées ensemble. Une branche de trépan est solidaire de chaque por- tion de tête, et un tourillon est prévu dans chaque bran- che de trépan. Une fraisaà cavité centrale est montée sur le tourillon, des roulements à rouleaux étant placés entre la fraise et le tourillon. Les branches de trépan et les tou- rillons contiennent des passages pour y envoyer de l'air provenant de la tige de forage. Une partie de l'air passe dans les roulements à rouleaux pour leur refroidissement, et se décharge dans le trou de forage pour faciliter le transport des déblais jusqu'à la surface. Le tourillon fait normalement partie intégrante de la branche de trépan. A l'intersection de la branche de trépan et du tourillon, on forme à la partie inférieuieun rebord descendant que l'on appelle normalement "traîne". Du côté supérieur de l'axe de palier, et sur la surface interne de la traîne, l'intersection du touril- lon avec la branche de trépan est connue sous le nom de "dernière surface usinée". La fraise a un dos entourant l'o- rifice de la cavité centrale. Une surface de calibrage en- toure le dos. Après assemblage, le dos est peu écarté de la dernière surface usinée. On estime que le faible écartement empêche les déblais de pénétrer dans lesroulemants.La traîne sert également à retenir les rouleaux de roulement dans le chemin de roulement qui est normalement formé dans le tourillon. 2. Un problème qui se pose avec le faible écartement entre la dernière surface usinée et le dos de la fraise vient de la pratique de faire fonctionner les trépans jusqu'à des- truction. Finalement, l'usure due à la poussée pousse la frais vers l'extérieur sur le tourillon, l'amenant à toucher la dernière surface usinée. La fraise frotte, endom- mageant la structure de coupe et réduisant la durée de vie du trépan. Une autre source de défaut vient de le rotation de la branche de trépan sur la paroi du trou foré. Cette rota- tion entraîne une usure de la traîne qui peut finalement dis- paraître complètement par usure. Les rouleaux sortent alors, entraînant rapidement un blocage des fraises. Un but général de l'invention est donc de fournir un trépan de mine perfectionné. Un autre but de l'invention est de fournir un tré- pan de mine perfectionné possédant des caractéristiques qui réduisent le frottement des fraises. Un autre but de l'invention est de fournir un tré- pan de mine possédant des caractéristiques qui réduisent l'u- sure sur les branches du trépan et réduisent la possibilité de sortie des rouleaux de roulement. En accord avec ces buts, on fournit un trépan qui possède un chemin de roulement formé dans la fraise au lieu de l'être dans le tourillon. Une paroi extérieure du che- min de roulement retient les rouleaux dans le chemin. La tra$ne est complètement éliminée, le côté inférieur de cha- que tourillon commençant au côté extérieur de chaque branche de trépan. Ceci supprime de la tête du trépan, du côté inférieur de la branche de trépan, toute structure qui pourrait être touchée par le dos de la fraise et entraîner un frottement. Du côté supérieur, on prévoit un jeu substan- tiel entre le dos de la fraise et la branche de trépan. La surface de calibrage de la fraise est prolongée sur une plus grande longueur aue dans la technique connue, le dos étant raccourci de façon correspondante. La surface de calibrage supporte mieux l'usure que les traînes connues, réduisant la possibilité de sortie des rouleaux de roulement De l'air est envoyé dans des passages dans la branche de tré- 3. Dan et le tourillon, et entre les rouleaux de roulement pour sortir vers le haut à la surface extérieure de la bran- che de trépan. La figure 1 est une vue en coupe partielle d'un tré- pan de forage construit selon l'invention. La figure 2 est une vue en coupe à échelle agrandie d'une partie d'un trépan de forage connu. La figure 3 est une vue en coupe à échelle agrandie d'une partie du trépan de la figure 1. En se reportant à la figure 1, on y voit un trépan de forage 11 construit de façon spécifique pour forer des trous de mine. Le trépan il possède trois portions de tête 13 (dont une seule est représentée) qui sont ensuite soudées après assemblage. Des filets 15 sont formés à l'extrémité supérieure du trépan pour le fixer à un train de tiges de forage. Chaque portion de tête 13 possède une branche de tré- pan 17 s'étendant vers le bas à partir d'une zone fourchue 19. Chaque branche de trépan 17 possède une surface externe 21 et une surface interne 23. Un tourillon 25 est formé de façon intégrante dans chaque branche de trépan 17 et est incliné vers le bas suivant un angle d'environ 650 par rap- port à l'axe du trépan 11. Une fraise 27 généralement conique est monté à ro- tation sur le tourillon 25. Deux groupes de rouleaux de roulement 29 et 31 sont disposés entre la fraise 27 et l'axe de palier 25. Le groupe extérieur de rouleaux de roulement 31 est disposé dans un chemin de roulement 33 formé dans une cavité centrale 35 de la fraise 27. La fraise 27 possède un dos 37 (figure 3) qui entoure l'ouverture de la cavité cen- trale 35 et se trouve dans un plan perpendiculaire à l'axe du tourillon 25. Une surface de calibrage 39 entoure le dos 37. La surface de calibrage 39 est tronconique et est formée suivant un angle aigu par rapport à l'axe du tourillon 25. En se reportant maintenant à la figure 2, un trépan de mine typique possède un groupe extérieur de rouleaux de roulement3l' dans un chemin de roulement 33' formé dans le tourillon 25', au lieu de l'être dans la fraise 27' com- 4. me dans l'invention. Egalement, l'extrémité inférieure de la branche de trépan 17' possède un rebord descendant ou traîne 41 qui s'étend sur un demi cercle à l'extrémité inférieure. La traîne 41 sert à retenir les rouleaux de roulement 31'. Le cCté inférieur du tourillon 25' ne s'étend pas jusqu' au côté externe de la branche de trépan 17', mais commence plutôt à l'intérieur de la traîne 41. Le dos 37' de la fraise 27' est très peu écarté (environ 0,8 mm) de la surface inter- ne de la traîne 41. Dans le haut (non représenté) de la bran- che de trépan 17' du trépan de la technique connue, le dDs 37' est également écarté de la même distance faible de la branche de trépan 17'. La surface interne de la traîne 41 et l'intérieur de la branche de trépan 17' dans le haut sont connus sous le nom de "dernière surface usinée". Si la fraise 27' se déplace vers l'extérieur par rapport au tourillon ' sur plus de 0,8 mm, le dos 37' commence à frotter sur la dernière surface usinée, entraînant une résistance. Egalement, le côté externe de la traîne s'usera lorsqu'il frottera sur la paroi du trou foré (non représentée). Il peut finalement être usé jusqu'auxrouleau>cde roulement 31', leur permettant de sortir. Les différences entre la technique connue représew- tée à la figure 2 et l'invention peuvent être mieux compri- ses en se reportant à la figure 3. Le chemin de roulement 33 est disposé dans la cavité centrale 35 de la fraise 27 et; non- dans le tourillon 25 comme dans la technique connue. Une paroi externe 33a qui est annulaire et perpendiculaire à 1' axe du tourillon 25, forme le côté externe du chemin de roulement 33. Une paroi interne 33b, qui est parallèle à la paroi externe 33a forme le côté interne du chemin de roule- ment 33. La hauteur de la paroi externe-33a est légèrement inférieure au diamètre des rouleaux de roulement 31. Un re- bord est défini sur la fraise 27 entre la paroi externe 33a et le dos 37, et la surface de calibrage 39. Ce rebord retiît les rouleaux de roulement 31, les empêchant de sortir. La cavité centrale 35 entre la paroi externe 33a et le dos 37 est cylindrique et concentrique à l'axe du tourillon , mais a un diamètre légèrement supCrieur à celui du tour.l 1- 5. 1 o n pour assurer un jeu 42 pour le passage de l'air. En se reportant encore à la figure 3, la tratne 41 de la figure 2 a été complètement éliminée. Le côté ou la moitié inférieure du tourillon 25 s'étend complètement jusqu'au côté externe de la branche de trépan 17. Ceci défi- nit un coin semi-circulaire qui est exempt d'une quelconque obstruction pour la décharge d'air provenant du jeu 42 sur le côté inférieur du tourillon 25. En se reportant à la figure 1, le côté ou la moitié supérieure du touril- - lon 25 commence au côté interne 23 de la branche de trépan. La longueur du tourillon 25 est choisie pour qu'il existe un jeu substantiel d'environ 6,35 mm entre le dos 37 de la fraise et le côté interne 23 de la branche detré- pan.Il n'y a pas de structure sur la portion de tête 13 ou la branche de trépan17àà mons de6,35mmdu dos37de la fraise. La fraise 27 a été dimensionnée de façon à ce que, dans un trépan de 381 mm, le diamètre du trépan il à l'endroit de la surface de calibrage 39 soit supérieur d'environ 12,7 mm au diamètre du trépan à l'endroit de la branche de trépan 17. L'on va maintenant décrire avec plus de précision les autres caractéristiques du mode de réalisation préféré. Le tourillon 25 comprend un nez 43 qui est cylindrique mais a un diamètre inférieur à la partie cylindrique plus grosse reliée à la branche de trépan 17. Les rouleaux de roulement internes 29 sont disposés dans un chemin de-roulement formé dans le nez 43. Une protubérance de nez 45 est disposée à l'extrémité interne du nez 43 pour entrer en contact avec une protubérance correspondante 47 dans le fond de la cavité 35 de la fraise 27. Plusieurs billes 49 sont disposées dans des chemins de roulement correspondants formés dans le touril- lon 25 et la fraise 27 pour servir de moyen de retenue pour retenir la fraise 27 sur le tourillon. Un obturateur 51 est inséré dans un passage dans le tourillon 25 pour rete- nir les billes 49. Un jeu existe entre l'extrémité interne du nez 43 et le fond de la cavité 35. Ce jeu est légèrement inférieur au jeu de 6,35 mm entre le dos 37 de la fraise et le côté in- terne 23 de la branche de trépan. Si les protubérances de nez 6. et 47 s'usent complètement, le nez 43 frottera sur la ca- vité interne 35 de la fraise avant que le dos 37 de la frai- se n'entre en contact avec le côté interne 23 de la branche de trépan. Le tourillon 25 constitue un seul cylindre de- puis le chemin de roulement des billes 49 jusqu'à la branche de trépan 3. 7, sans qu'il y ait des rainures ou des rebords formés à sa surface. Des passages pour l'air 53 et 55 sont formés dans la portion de tête 13 et le tourillon 25, respectivement, pour recevoir un fluide de forage comme de l'air chassé vers le bas par un passage axial 57 dans la tige de forage 11. Un filtre 59 est prévu à l'entrée de chaque passage d'air 53. Une buse 61 formée dans chaque portion de tête 13 décharge une partie de l'air dans le trou foré, le reste étant chassé par les passages 53 et 55. La surface extérieure de la fraise porte plusieurs pièces rapportées 63 en carbure de tungstène pour désintégrer la formation rocheuse. Des protubérances 65 et 67 en carbure de tungstène résistant à l'usure sont dis- posées sur la surface de calibrage 39 et à l'extérieur de la branche de trépan 17. Lors de l'assemblage, les portions de tête 13 sont chacune assemblées avec une fraise 27. Pendant l'assemblage, les rouleaux de roulement 29 sont placés dans le chemin de roulement sur le nez 43 et sont retenus par une graisse vis- queuse. Les rouleaux de roulement 31 sont placés dans le che- min de roulement 33 dans la fraisq 27 et sont retenus par de la graisse. La fraise 27 est ensuite poussée sur le touril- 1 o n 25. On laisse ensuite tomber les billes 49 par le pas- sage pour les billes, et elles sont retenues par l'obturateur 51 qui est ensuite soudé en place. Les trois portions de tête 13 sont-ensuite soudées ensemble et on forme le filet 15. En fonctionnement, le trépan est fixé au train de tiges par le filet 15 et est descendu dans le trou. Le train de tiges est mis en rotation, faisant tourner chaque fraise 27 autour de l'axe de chaque tourillon 25. La surface de calibrage 29 entre en contact de roulement avec-la paroi du trou foré lorsque le trépan tourne. Au fur-et à mesure que les protubérances de nez 45 et 47 s'usent, les fraises 27 se 7. déplacent vers l'extérieur sur le tourillon 25. Les frai- ses 27 doivent se déplacer vers l'extérieur sur une très grande distance, approximativement 6,35 mm, avant que le dos 37 ne commence à frotter sur la branche de trépan 17. Il n'y a pas de structure sur le côté inférieur de la branche de trépan 17 qui peut être touchée par le dos 37. La seule struc- ture qui pourrait être touchée est le côté interne 23 de la branche de trépan 17, et celui-ci se trouve à une distance substantielle du dos 37. De préférence, la distance est suf- fisante pour que les dents de fraisage 63 soient complète- ment usées avant qu'il ne se produise un quelconque frotte- ment de la fraise. Pendant le forage, un fluide de forage tel que de l'air est chassé vers le bas dans la tige de forage, le pas- sage axial 57, et sort par les buses 61 pour enlever les dé- blais du trou foré. Une partie de l'air est également déri- vé par les filtres 59 et descend par les passages 53 et 55. L'air s'écoule entre les rouleaux de roulement 29, les bil- les 49 et les rouleaux de roulement 31. L'air sort de chaque espace42ens une direction parallèle à l'axe du tourillon 25. Du côté inférieur du tourillon 25, l'air dé- chargé l'est vers le haut, et s'écoule vers le haut au-delà de la branche de trépan 17. L'invention a des avantages importants. La suppres- sion de la traîne et la réalisation d'un jeu important entre la branche de trépan et le dos de la fraise au-dessus de 1' axe de palier réduit le risque d'un frottement des fraises. Egalement, la suppression de la traîne permet d'avoir un dia- mètre assez bien plus grand à l'endroit des surfaces de cali- brage qu'à l'endroit des branches de trépan. La surface de calibrage,qui est en contact de roulement avec la paroi du trou foré, est'plus résistante à l'usure que la branche de trépan. Ceci devrait réduire la possibilité d'une usure com- plète dans le chemin de roulement, permettant aux rouleaux de sortir. Bien que l'invention ait été représentée sous une seule de ses formes, il sera clair pour l'homme du métier qu' elle n'est pas limitée à cela, mais est susceptible de dif- 8. férentes modifications sans sortir du cadre de l"invention. 9. REVENDICATIONS. 1. Trépan de forage du type possédant trois bran- ches de trépan, un tourillon solidaire de chaque branche de trépan, et une fraise à cavité centrale, montée sur cha- que tourillon par l'intermédiaire de rouleaux de roule- ment, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison: un chemin de roulement formé dans la cavité centrale pour rece- voir les rouleaux de roulement, avec une paroi externe annu- laire pour retenir les rouleaux dans le chemin de roulement, le côté inférieur de chaqub tourillon. commençant au côté externe de chaque branche de trépan, définissant un coin dé- pourvu d'un rebord en forme de traîne. 2. Trépan de forage du type possédant trois bran- ches de trépan, un axe de palier solidaire de chaque branche de trépan, et une fraise montée sur chaque axe de palier par des rouleaux de roulement, avec une cavité centrale possédant une ouverture d'entrée entourée par un dos et une surface de calibrage, caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison un chemin de roulement formé dans la cavité centrale pour recevoir les rouleaux de roulement, définissant un rebord en- tre le chemin de roulement et la surface de calibrage et le dos pour retenir les rouleaux de roulement dans le chemin de roulement, le côté inférieur de chaque tourillon se re- liant au côté externe de chaque branche de trépan, libérant la branche de trépan de toute structure à son extrémité in- férieure placée à l'extérieur de la surface de calibrage et du dos. 3. Trépan de forage du type possédant trois bran- ches de trépan, un tourillon solidaire de chaque branche de trépan, une fraise ayant une cavité centrale et montée sur chaque tourillon par l'intermédiaire de rouleaux de rou- lement, l'ouverture d'entrée de la cavité centrale étant en- tourée par un dos, qui est entouré par une surface de calibra- ge, caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison: un chemin de roulement formé dans la cavité centrale de chaque fraise pour recevoir les rouleaux de roulement, avec une paroi externe annulaire perpendiculaire à l'axe du tourillon pour retenir les rouleaux de roulement, le côté inférieur de 10. chaque tourillon s'étendant complètement jusqu'au côté externe de la branche de trépan, définissant un coin, chaque fraise et chaque tourillon étant dimensionnês pour qu'il existe un jeu substantiel entre le dos de la fraise et le côté interne de la branche de trépan. 4. Trépan de forage du type possédant trois bran- ches de trépan, un tourillon solidaire de chaque branche, une fraise ayant une cavité centrale montée sur chaque axe de palier par l'intermédiaire de rouleaux de roulement, l'ouverture d'entrée de la cavité centrale étant entourée par un dos qui est entouré par une surface de calibrage, le trépan comprenant de plus des moyens de retenue pour retenir la fraise sur l'axe de palier et des moyens de passage d'un fluide de forage s'étendant dans les branches de trépan et les tourillons pour envoyer un fluide de forage entre les rouleaux de roulement, caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison: un chemin de roulement formé dans la cavité centrale de chaque fraise à l'extérieur du moyen de retenue pour recevoir les rouleaux de roulement, définissant un re- bord entre le chemin de roulement et la surface de calibrage et le dos, pour retenir les rouleaux de roulement dans le chemin de roulement, chaque tourillon constituant une seule surface cylindrique depuis le moyen de retenue jusqu'à la branche de trépan, le côté inférieur de chaque touril- ion s'étendant jusqu'au côté externe de chaque branche de -trépan, libérant la branche de trépan de toute structure à son extrémité inférieure qui est disposée à l'extérieur de la surface de calibrage et du dos, des jeux étant prévus en- tre chaque cavité centrale et chaque tourillon à1-'en- droit du rebord pour le passage d'un fluide de forage chassé entre les rouleaux de roulement. 5. Trépan de forage du type possédant trois bran- ches de trépan, un tourillon solidaire de chaque branche de trépan, une fraisepossédant une cavité centrale et montée sur chaque tourillon par l'intermédiaire de rouleaux de roulement, l'ouverture d'entrée-de la. cavité centrale étant entourée par un dos annulaire perpendiculaire à l'axe du tou- rillop,qui est entouré par une surface de- calibrage tronconi- Il. que formée pour un contact de roulement avec la paroi du trou foré, le trépan comprenant de plus des moyens de passage d' un fluide de forage s'étendant dans chaque branche de trépan et chaque tourillon pour envoyer un fluide de forage en- tre les rouleaux de roulement pour le refroidissement, carac- térisé en ce qu'il comprend en combinaison: un chemin de roulement formé dans. la cavité centrale de chaque fraise pour recevoir les rouleaux de roulement, avec une paroi externe annulaire perpendiculaire à l'axe du tourillon pour re- tenir les rouleaux de roulement, la cavité centrale entre la paroi extérieure et le dos de chaque fraise étant cylineri- que et ayant un diamètre supérieur à celui du tourillon au même endroit, pour assurer un jeu pour le passage d'un fluide de forage par les moyens de passage vers le trou foré, le côté inférieur de chaque tourillon s'étendant complè- tement jusqu'au côté externe de chaque branche de trépan, dgi- nissant un coin à l'extrémité inférieure de chaque branche de trépan qui est exempt d'une quelconque obstruction pour l'écoulement. d'un fluide de forage pasant par 1' espace de jeu, parallèlement à l'axe du tourillon.