Brevet FR2501775A1 — publié le 19820917

i TREPAN A PERCUSSION POUR FORAGES L'invention a pour objet un trépan à percussion destiné à 9tre fixé au bout d'un train de tiges contenant un marteau percuteur pour forages profonds, ledit trépan, présentant un corps de percussion, frappé à l'une de ses extrémités par le marteau, et portant, à son autre extré- mité, des éléments en alliage dur attaquant le fond du trou de forage. Les dispositifs de forage à roto-percussion présentent normalement, à leur extrémité d'attaque, au bout du train de tiges, un corps de percussion ayant la forme d'une couronne de forage. Cette dernière tourne tout en recevant à son extrémité postérieure les percussions du marteau. Sur son front d'attaque, ladite couronne porte des pointes en alliage dur qui, sous l'impact du dispositif de percussion, brisent la sole du trou d1attaque. Or, cette couronne et notamment ses "diamants" en alliage dur subis- sent des contraintes extraordinairement élevées. Il en ré- sulte une usure relativement rapide de la couronne, néces- sitant des échanges fréquents de celle-ci. Lorsque le trou de forage a un diamètre dépassant mm, les couronnes des trépans doivent avoir des dimen- sions correspondantes et leur confection est particulière- ment difficile pour les raisons exposées ci-dessous: Lorsqu'on procède au recuit de la couronne pour supprimer ses tensions internes, ladite couronne se refroi- dit, par suite de l'importance de sa masse, plus vite à l'extérieur qu'à l'intérieur, ce qui engendre de nouvelles tensions dans le métal. Lorsqu'on procède à la cémentation de la couronne, on crée à nouveau des tensions internes considérables par suite de la différence de vitesse de re- froidissement entre l'âme de l'outil et sa surface au moment de la trempe et du revenu. La dernière opération de la fa- brication de la couronne est le brasage des éléments en alliage dur qui y sont insérés. Au cours de cette opéra- tion, de nouvelles tensions sont induites dans le métal. Pour éviter le traitement thermique nécessaire pour fixer les éléments durcis par brasage, on connatt un 1 2 procédé qui consiste à pratiquer des trous d'ajustement sur le corps terminé de la couronne, les pointes en allia- ge dur, convenablement meulées, étant ensuite introduites à force dans lesdits trous. Ces pointes présentent un dia- mètre légèrement supérieur à -celui de leurs logements et sont enfoncées sous une compression élevée. Par suite du grand nombre de pointes en alliage dur ainsi insérées sous pression, une tension considérable est, là encore, induite dans le métal de surface, notaiment dans les couronnes de grandes dimensions. or, ces tensions, pratiquement inévitables dans la fabrication de couronnes de trépans de grandes dimensions, conduisent, lorsque l'outil est en service, à la fissura- tion prématurée du corps de la couronne et, partant, à sa défaillance. L'invention vise à créer un trépan à percussion du type précité qu'il soit possible de réaliser, même avec des dimensions assez généreuses, d'une façon relativement simple et sans tensions internes substantielles dans le métal, ledit outil ne devant pas, par ailleurs, devenir inutilisable dans son ensemble en cas dtavarie, grâce à la possibilité de remplacer des pièces individuelles. Pour résoudre ce problème, l'invention prévoit que. a) le corps de percussion présente des dispositifs de fixation pour les fûts ou queues de plusieurs couronnes, b) ces couronnes comportent des têtes épanouies par rapport à leurs fûts ou queues, lesdites t8tes portant les éléments en alliage dur; - c) le corps de percussion et les couronnes du tré- pan présentent des surfaces planes pour la transmission des percussions. L'avantage spécial de l'invention réside en ce que le trépan à roto-percussion ne comporte plus une couron- ne unique, mais qu'il se compose d'un corps de percussion sur lequel sont fixées plusieurs couronnes plus petites. Le corps de percussion est relativement facile à échanger et présente, d'ailleurs, une durée de vie bien plus longue que celle des couronnes habituelles. En effet, ce corps ne comporte plus d'éléments en alliage dur, sujets à l'usure. Ces éléments se trouvent, au contraire, sur les petites couronnes de forage qui peuvent etre échangées in- dividuellement. On peut ainsi utiliser, pour des trous de forage de diamètre assez important, par exemple de plus de mm, un corps de percussion sur lequel on fixe des cou- ronnes de forage plus petites, habituellement disponibles dans le commerce. Ces couronnes plus petites peuvent, grace à leur moindre masse métallique, être réalisées en évitant les accumulations de tensions internes. Etant donné que l'augmentation des cotes de la couronne fait augmenter les difficultés de confection, donc le prix, selon une fonction plus que proportionnelle, l'emploi de plusieurs couronnes plus petites est plus économique que l'emploi d'une cou- ronne unique de grandes dimensions. Il convient d'ajouter que les petites couronnes peuvent être échangées indivi- duellement lorsqu'elles sont usées ou avariées, sans qu'il ne soit nécessaire de remplacer dans tous les cas l'ensem- ble de l'outil. Dans les grandes couronnes monobloc, l'usure ap- parait en premier lieu aux prismes en alliage dur disposés le long du bord. Ces éléments de bordure en alliage dur arrivent aussi souvent à s'arracher lorsque le trépan pénè- tre dans des terrains à structure oblique et à dureté varia- ble. En effet, dans ce cas, les éléments en alliage dur extérieurs encaissent de façon transitoire toute l'énergie de -la percussion sur un point. Or, dès que les éléments en alliage dur extérieurs d'une grande couronne sont usés, tout l'outil est sans valeur. L'invention permet non seulement d'échanger indi- viduellement, dans un tel cas, les petites couronnes exté- rieures, mais encore, selon un mode d'exécution privilégié, la queue de l'une au moins des couronnes est bloquée en ro- tation à l'intérieur du corps de percussion, mais peut gtre introduite dans ledit corps suivant plusieurs positions angulaires différentes. Dès lors, lorsque les éléments durs situés au bord de l'outil de roto-percussion sont partielle- ment usés, on peut extraire la couronne correspondante de son logement, lui faire effectuer une rotation et l'intro- duire à nouveau dans ledit logement, de façon à placer sur le bord extérieur du trépan des éléments durs qui ne sont pas encore aussi usés. Selon une autre variante de l'inventicn, le f t de l'une au moins des couronnes peut tourner librement autour de son axe dans son logement à l'intérieur du corps de percussion. Grâce aux forces qui prennent naissance en tours de fonctionnement, la couronne ainsi conçue tourne lentement, ce qui a pour effet de régulariser l'usure des éléments en alliage dur. Pour mieux faire comprendre l'obJet de l'invention, on va en décrire maintenant,à titre d'exemples purement illustratirs et non limitatifs, des modes de réalisation représentés sur le dessin annexé. Sur ce dessin: - la figure 1 est une vue schématique latérale d'une installation de forage; - - la figure 2 est une vue en coupe axiale de la partie antérieure de l'installation de la figure 1; - la figure 3 est une vue de dessous du trépan de la figure 2; - la figure 4 est une vue schématique de la fixa- tion d'une couronne sur le corps de percussion.; - la figure 5 représente un autre mode de réali- sation de la fixation d'une couronne de forage sur le corps de percussion; - la figure 6 représente encore un autre mode de réalisation de cette fixation. L'installation de forage pour terrain rocheux, représentée sur la figure 1, comporte un train de tiges 10 composé de tubes et guidé au jour dans une tour de forage 11, le train de tiges étant entraTné en rotation par un mécanisme d'entraînement 12 situé à l'extrémité postérieu- re.A l'arrière de ce mécanisme d'entraînement, un coude d'éjection fixe 13 est monté sur le train de tiges 10 par 1'intermédiaire d'un accouplement à Joint tournant (non représenté) pour évacuer les débris de forage. Dans ce coude 13 débouche une tuyère à air 14 qui, grâce à un effet Venturi à l'intérieur du train de tiges 10, produit une dépression. Le train de tiges 10 contient un tube intérieur (non représenté) par lequel les débris sont renvoyés en surface. Dans l'espace annulaire ménagé entre le tube inté- rieur et le tube extérieur se trouve de l'air comprimé qui arrive par une conduite 15 et un raccord 16 à joint tournant. L'air comprimé sert à actionner le marteau percuteur 17 qui se trouve à l'extrémité antérieure du train de tiges 10. L'air de retour qui provient du marteau 17 remonte par le tube intérieur dans lequel il assure le rinçage et entraIne les débris de forage. A l'extrémité antérieure du marteau 17 se trouve le trépan à percussion 18, que l'on décrira plus en détail ci-après en se référant à la figure 2. La gaine 21 du marteau de percussion 17 est solidarisée en rotation avec le train de tiges tournant 10. Elle contient un piston percutant 22 à section annulaire, qui entoure un tube axial 23, et qui effectue périodiquement un mouvement alternatif suivant sa direction axiale. La commande et l'entraInement pneumatique du piston 22 sont connus et ne figurent pas dans la description détaillée ci-dessous. L'air comprimé qui s'échappe du marteau 17 est dirigé sur le fond 20 du trou de forage et sert à entraîner les débris de forage par le tube intérieur 23. Le corps de percussion 24 est vissé à l'intérieur du bout antérieur de la gaine 21. Le piston 22 frappe la face postérieure du corps 24. A l'extrémité antérieure de la partie antérieure en forme de fut du corps 24 qui émerge de la gaine 21, se trouve la tête de percussion 25 dont le diamètre est supérieur à celui de la gaine 21. La tête de percussion 25 comporte un grand nombre de logements pour des couronnes de trépan assez petites 26a, 26b,, 26c et 26d. Dans l'exemple de réalisation des figures 2 et 3, on a représenté quatre types différents de couronnes afin d'illustrer les nombreuses possibilités d'application de l'invention (figure 3). L'orifice 27 d'évacuation des débris, orienté vers le fond 20 du trou de forage, commiuni- que avec l'intérieur du tube axial 23 et se trouve décalé par rapport à l'axe dudit tube, afin de permettre aux cou- ronnes de balayer toute la surface du fond de forage 20 lorsque le train de tiges 10 tourne. La t9te 25 du trépan percuteur 18 a la forme d'un plateau dans lequel sont ménagés des logements adéquats pour les queues des couronnes 26a à 26d, les logements étant des forures traversant la tete de percussion de part en part. La couronne 26a de la figure 2 a une queue à six pans 28 qui vient se loger dans un trou à six pans 29 ménagé dans la tête 25. Sur la face postérieure de cette dernière, la couronne est verrouillée par une rondelle 30 et par une goupille 31 qui traverse la queue 28. La couronne 26a s'ap- puie sur la face antérieure de la tête 25 par sa propre tête épanouie 32. Sur sa face antérieure, la tête 32 de la couronne porte les éléments en alliage dur 33. Les surfaces de transmission de la percussion de la tête 25 et des autres parties du trépan 18, qui sont des faces en regard, sont toutes notées 34, dans tous les exemples d'exécution décrits. Dans la couronne 26a, ce sont la face antérieure de la t-te de percussion 25 et la paroi postérieure de la tête 32 de la couronne qui constituent les surfaces de transmission 34. La couronne 26b de la figure 2 présente un fût composé de deux sections cylindriques successives 35a et b, la section 35a qui se trouve à l'avant, ayant un dia- mètre plus grand que l'autre section 35 à laquelle elle se raccorde par un épaulement annulaire oblique 36. Les surfaces de transmission de la percussion 34 sont consti- tuées en l'occurrence par l'épaulement annulaire 36 et une surface antagoniste de l'alésage décroché 37 pratiqué dans la tête de percussion 25. La tête 32 de la couronne, qui se trouve en dehors de l'alésage 37 et à une certaine distance de ce dernier, porte des éléments 33 en alliage dur en forme de pointes. La fixation de la couronne 26b est effectuée à l'aide d'une vis 39 qui traverse un disque 38 en appui sur la face postérieure de la tête de percus- sion 25 et s'introduit par vissage dans un filetage axial 7. de la section 35b du fût, les surfaces de transmission 34 de la percussion se trouvant, de ce fait, fortement serrées l'une contre l'autre. Dans l'exemple de réalisation de la figure 5, la couronne 26e présente un rat cylindrique 41, qui se loge dans un alésage cylindrique 40 de la tête 25. Une gorge tangentielle rectiligne 42 touchant le frt 41 et une gorge tangentielle touchant l'alésage 40 permettent d'introduire une cheville 43 qui limite les déplacements du fût 41 dans le sens axial. Ainsi, le fût 41 dispose d'un Jeu axial limité. Les surfaces de transmission 34, qui peuvent se déplacer réciproquement dans la limite de ce Jeu, se trou- vent sur la face antérieure de la tête 25 et sur la face postérieure antagoniste de tête 32 de la couronne 26e. La couronne 26f montrée à la figure 4, ressemble beaucoup à la couronne 26b de la figure 2. Les surfaces de transmission de percussion 34 y sont également constituées par un épaulement tronconique 36 à l'intérieur de la tête entre lesoections 35a et 35b du fat de la couronne. Le dispositif de fixation consiste, dans l'exemple de réali- sation de la figure 4, en une goupille 43, tangente à la section 35b et logée, comme dans l'exemple de la figure 5, dans des gorges complémentaires ménagées dans la tête 25 et dans le fût de la couronne en autorisant un Jeu axial de ladite couronne, tout en assurant que les surfaces de trans- mission 34 soient bien en regard l'une de l'autre. La couronne 26& de la figure 6 comporte un fMt 28 à section hexagonale. Ce Mut est introduit dans un manchon 27 à profil Intérieur six-pans, de telle sorte qu'il ne puisse tourner dans son logement. Toutefois, le manchon 27 peut tourner à l'intérieur d'un alésage 44 de la tête 25, de telle sorte que la couronne 26& puisse tourner librement avec son manchon 27. Le blocage du manchon 27 à l'égard d'un décalage axial est réalisé à l'aide d'une goupille tangentielle 43 qui passe un canal ménagé dans la tête et dans une gorge circulaire 45 du manchon 27. Ainsi, ledit manchon 27 peut tourner, mais ne peut se déplacer axialement d'une manière notable. L'extrémité du f^t 28 qui émerge du manchon 27 est traversée par une cheville 46 qui assure le verrouillage dudit fat 28 avec le manchon 27. Dans cet exemple de réalisation selon la figure 6, les surfaces de transmission 34 sont la face postérieure de la tête 32 de la couronne et la face antérieure de la tête du trépan 18. REVENDICATIONS 1 - Trépan à percussion destiné à être fixé au bout d'un train de tiges contenant un marteau percuteur pour forages profonds, ledit trépan présentant un corps de percussion frappé à l'une de ses extrémités par le marteau,. et portant, à son autre extrémité, des éléments en alliage dur attaquant le fond du trou de forage, caractérisé par le fait que: a) le corps de percussion (24) présente des dispo- sitifs de fixation (29, 37, 40, 44) pour les queues ou fûts (28, 35a, 35b, 41) de plusieurs couronnes (26a à 26g); b) ces couronnes (26a à 26%) comportent des têtes (32) plus larges que les fûts ou queues (28, 35a, 35b, 41), les éléments en alliage dur (33) étant fixés sur lesdites têtes (32), et c) le corps de percussion (24) et les couronnes (26a à 26%) présentent des surfaces planes (34) en regard les unes des autres afin de transmettre les percussions. 2 - Trépan selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les fûts ou queues (28, 35a, 35b, 41) sont fixés sur le corps de percussion (24) en laissant subsis- ter un jeu axial. 3 - Trépan selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la queue (28) de l'une au moins des couronnes est montée sur le corps de percussion (24) en solidarité de rotation avec ce dernier, mais que sa fixation permet de la placer dans des positions angulaires différentes. 4 - Trépan selon l'une des revendications 1 à 3, ca- ractérisé par le fait que le fût (28) de l'une au moins des couronnes (26%) est fixé sur le corps de percussion (24) avec possibilité de tourner librement autour de son axe.