Brevet FR2514049A1 — publié le 19830408

- La présente invention concerne un dispositif destiné au fonçage et à l'arrachement d'éléments tels que: pieux, tubes, palplanches, tiges, etc, qui sont utilisés dans les domaines des travaux publics, des carrières, des mines et des industries de forage. Dans ce genre de travaux, il est nécessaire d'utiliser les vibrations et l'énergie produits par des chocs répé- tés, pour faire pénétrer les éléments en question dans le sol, ce que l'on désigne sous le nom de fonçage. De même, pour retirer ces éléments du sol, par arra- chement, il est fréquemment nécessaire d'accompagner la force de traction appliquée par l'action de chocs qui facilitent le glissement de l'élément dans le terrain. Dans le cas du fonçage,il est évident que l'effet des chocs doit se faire dans le sens du mouvement de pénétration, l'énergie du choc transmise à l'élément à foncer étant répartie en deux composantes, l'une provo- quant la mise en vibration de l'élément, favorisant le glissement dans le sol, l'autre composante assurant le déplacement de l'élément. Par exemple, dans le cas d'un fonçage vertical de pieu, la direction des chocs appliqués sera verticale et le sens des chocs orienté de haut en bas. Lors de l'arrachement, les conditions seront inver- sées; les chocs seront donc dirigés de bas en haut, pour obtenir l'effet désiré. Pour réaliser ces fonctions, l'on utilise actuellement des matériels généralement mécaniqueshydrauliques ou pneumatiques Les appareils mécaniques sont complexes et fragiles Quant aux appareils à fluide hydraulique ou pneumatique, leur utilisation est difficile si la tempéra- ture ambiante est basse La plupart des matériels connus réalisent seulement l'une des fonctions, soit le fonçage ou l'arrachage, et il faut donc changerd'appareil pour passer d'une opération à l'autre Même les appareils qui sont susceptibles d'assurer les deux fonctions doivent être retournés pour passer, par exemple, du fonçage à -2- l'arrachement. La présente invention vise à éliminer l'ensemble de ces inconvénients, en fournissant un appareil utilisant une source d'énergie nouvelle dans le domaine considéré, cet appareil étant de structure simple et robuste, avec un minimum de pièces en mouvement, ayant un fonctionnement non influencé par les conditions extérieures de tempéra- ture, et réunissant dans un ensemble compact tous les moyens nécessaires à la fois au fonçage et à l'arrachement, le passage de l'une à l'autre de ces deux opérations s'effectuant par une simple commutation, sans aucun retour- nement ou autre déplacement de l'appareil. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de fonçage et d'arrachement pour pieux, tubes, palplan- ches, tiges, etc, qui comprend essentiellement deux marteaux électromagnétiques superposés, disposés suivant un même axe et agissant en sens opposés, entre lesquels est montée une masse mobile oscillante commune, suspendue élastiquement, les pièces polaires respectives des deux marteaux constituant des enclumes, dont celle inférieure, frappéepar la masse mobile pour le fonçage, est munie à son extrémité extérieure de moyens permettant le raccorde- ment des éléments à foncer ou à arracher, et dont celle supérieure, frappéepar la masse mobile pour l'arrachement, est reliée à celle inférieure par un arbre ou un tube en matériau amagnétique traversant de part en part la masse mobile par un trou foré suivant l'axe de cette dernière. On réunit ainsi, dans un ensemble de forme générale cylindrique allongée, un système de fonçage et un système d'arrachement qui fonctionnent à partir de l'énergie élec- trique et qui utilisent une masse mobile frappante com- -mune, dont les extrémités peuvent pénétrer respectivement dans les bobinages des deux marteaux électromagnétiques pour en constituer les noyaux mobiles, cette masse mobile étant suspendue par exemple entre deux ressorts antago- nistes lui permettant d'osciller de part et d'autre d'une position de repos. 251404 t 9 3- Etant donné que les deux marteaux électromagnétiques du dispositif objet de l'invention sont utilisés alterna- tivement, l'un servant au fonçage et l'autre à l'arrache- ment, et n'entrent jamais en service simultanément, ces deux marteaux sont avantageusement reliés à un système électrique commun d'alimentation et de commande, par l'intermédiaire d'un commutateur permettant de diriger à volonté des impulsions de courant vers le bobinage de l'un des marteaux pour le fonçage ou vers le bobinage de l'autre marteau pour l'arrachement de l'élément raccordé à l'enclume inférieure On comprend que, pour l'arrache- ment, la masse mobile attirée par le bobinage supérieur vient frapper l'enclume correspondante,laquelle transmet l'énergie reçue à l'enclume inférieure par l'intermédiaire de l'arbre ou du tube de liaison, tandis que pour le fon- çage la masse mobile, attirée par le bobinage inférieur, frappe directement l'enclume à laquelle sont raccordés les éléments à foncer. Une rotation de ces éléments peut être nécessaire, en combinaison avec les chocs Cette rotation peut être obtenue soit en entraînant l'enclume supérieure soit en entraînant l'enclume inférieure, notamment avec les dispo- sitions suivantes: Suivant une première forme de réalisation, le dis- positif comprend, pour l'entraînement en rotation de l'élément à foncer, un moto-réducteur électrique disposé suivant l'axe du double marteau électromagnétique et accouplé, par l'intermédiaire d'un arbre de sortie cannelé, à l'enclume supérieure, le mouvement de rotation étant transmis par l'arbre ou le tube de liaison à l'enclume inférieure. Suivant une seconde forme de réalisation, le dispo- sitif comprend, pour l'entraînement en rotation de l'élé- ment à foncer, un moto-réducteur électrique placé latérale- ment, par rapport à l'axe du double marteau électromagné- tique, et ayant son arbre de sortie relié, par l'intermé- diaire d'une transmission telle qu'à chaîne sans fin, -4- à un élément rotatif creux monté coulissant autour d'une partie de profil extérieur correspondant de l'enclume inférieure. Pour certaines opérations, nécessitant en outre l'éva- cuation de carottes ou la circulation de fluides de forage, l'élément de liaison entre les deux enclumes,qui traverse de part en part la masse mobile, est un tube prolongé par des perçages axiaux ménagés respectivement dans les deux enclumes, pour constituer un passage axial continu. Cette dernière caractéristique est compatible avec la présence de moyens d'entraînement en rotation mais dans ce cas, afin de permettre la récupération des carottes ou l'arrivée du fluide de forage, on choisira de préféren- ce pour les dits moyens d'entraînement en rotation la disposition latérale définie plus haut, de manière à libérer la partie supérieure de l'appareil. De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples non limitatifs, des formes d'exécution de ce dispositif de fonçage et d'arrachement pour pieux, tubes, palplanches, tiges, etc. Figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un premier dispositif de fonçage et-d'arrachement confor- me à l'invention, avec des moyens d'entraînement en rotation disposés suivant l'axe du double marteau élec- tromagnétique; Figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un second dispositif de fonçage et d'arrachement conforme à l'invention, avec des moyens d'entraînement en rotation placés latéralement, par rapport à l'axe du double mar- teau électromagnétique; Figure 3 est une vue de côté de la partie supérieure d'un dispositif de fonçage et d'arrachement conforme à l'invention, sans moyens d'entraînement en rotation et suspendu à un câble; Figure 4 est une vue de côté, avec coupes partielles, - de la partie supérieure d'un dispositif de fonçage et d'arrachement constituant une variante du dispositif de la figure 3; Figure 5 est une vue en plan par dessus du dispositif de la figure 4. Le dispositif de fonçage et d'arrachement, repré- senté sur la figure 1, comprend une masse mobile centrale 1 pouvant frapper, par chacune de ses extrémités, soit sur une enclume inférieure 2 destinée au fonçage, soit sur une enclume supérieure 3 destinée à l'arrachement Les deux enclumes 2 et 3 sont reliées entre elles par un arbre 4 en matériau amagnétique, traversant de part en part la masse mobile 1 par un trou 5 foré suivant l'axe 6 de cette dernière. La masse mobile 1 est commune à deux marteaux électro- magnétiques 7 et 8, disposés suivant l'axe 6 et réalisés chacun suivant le brevet français NO 2430827 Le marteau inférieur 7 comprend un bobinage 9 entouré d'un blindage ; l'neclume inférieure 2 lui sert de pièce polaire fixe, par sa partie cylindrique 11 introduite à l'inté- rieur du bobinage 9, tandis que l'extrémité inférieure de la masse 1 sert de noyau mobile au marteau 7 en péné- trant aussi dans son bobinage 9 D'une manière symétrique, le marteau supérieur 8 comprend un bobinage 12 entouré d'un blindage 13; l'enclume supérieure 3 lui sert de pièce polaire fixe par sa partie cylindrique 14 introduite à l'intérieur du bobinage 12, tandis que l'extrémité supérieure de la masse 1 sert de noyau mobile au marteau 8 en pénétrant aussi dans son bobinage 12. Dans sa partie centrale, la masse mobile 1 présente une collerette 15, de part et d'autre de laquelle prennent appui, respectivement, deux ressorts hélicolcaux 16 et 1.7 antagonistes Le ressort inférieur 16 est comprimé entre la collerette 15 et une bague 18 située au-dessus du blindage 10 du marteau inférieur 7, tandis que le ressort supérieur 17 est comprimé entre la collerette 15 et une bague 19 placée au-dessous du blindage 13 du mar- teau supérieur 8. L'ensemble des deux marteaux électromagnétiques 7 et 8 et de leur masse mobile commune 1 Est disposé sous des carters extrêmes 20 et central 21 assemblés convenablement. Pour être utilisé, tout cet ensemble est monté sur un support extérieur non représenté, par exemple une glissiè- re avec les moyens de déplacement nécessaires. Les deux marteaux électromagnétiques 7 et 8 sont re 1 is, l'un et l'autre, à un système électrique commun d'alimen- tation et de commande, symbolisé par un bloc 22 et réali- sé suivant le brevet français N' 2 356 483 et son addi- tion N' 2 425 302 Un dispositif de commutation 23 permet de diriger le courant issu du circuit électrique de décharge vers l'un ou l'autre des deux bobinages 9 et 12. Pour obtenir le fonçage, l'opérateur place le dispo- sitif de commutation 23 dans sa position mettant en cir- cuit le bobinage 9 du marteau électromagnétique inférieur 7 A chaque impulsion de courant envoyée dans ce bobinage 9, l'extrémité inférieure de la masse mobile 1 suspendue par les ressorts 16 et 17, vient frapper la partie cylin- drique 11 de l'enclume inférieure 2, dont la collerette 24 vient appuyer sur une butée 25 L'enclume inférieure 2 transmet l'énergie cinétique reçue de la masse mobile 1 à l'élément à fonçer, fixé à l'extrémité inférieure de ladite enclume 2 par un montage adapté à chaque cas d'ap- plication. Pour obtenir l'arrachement, l'opérateur place le dispo- sitif de commutation 23 dans son autre position mettant en circuit le bobinage 12 du marteau électromagnétique supérieur 8 A chaque impulsion de courant envoyée dans ce bobinage 12, l'extrémité supérieure de la masse mobile 1 vient frapper la partie cylindrique 14 de l'enclume supérieure 3, dont la collerette 26 vient s'arrêter sur une butée correspondante 27 L'enclume supérieure 3 transmet l'énergie cinétique reçue de la masse mobile 1 à l'enclu- me inférieure 2, par l'intermédiaire de l'arbre de liaison 4, l'enclume inférieure 2 transmettant elle-même cette -7- énergie à l'élément à arracher. La longueur de l'arbre 4 qui relie entre elles les deux enclumes 2 et 3 est telle que, lorsqu'on se trouve en position de fonçage, l'enclume supérieure 3 ne peut recevoir les chocs en retour dus à l'oscillation de la masse mobile 1 provoquée par le marteau inférieur 7; inversement, en position d'arrachement, l'enclume infé- rieure 2 ne recevra pas les chocs en retour dus à l'oscil- lation de la masse mobile 1 provoquée par le marteau supérieur 8. Dans la première forme d'exécution représentée sur la figure 1, un entraînement en rotation de l'élément à foncer est obtenu, en outre, par un dispositif de rota- tion disposé au-dessus du double marteau électromagnétique 7-8, suivant l'axe 6 de ce double marteau Un moto-réduc- teur électrique 28, bridé sur le couvercle supérieur 41, a son arbre de sortie 29 lié en rotation avec l'enclume supérieure 3 par l'intermédiaire de cannelures permettant le déplacement axial de cette enclume 3 Le mouvement de rotation est transmis par l'arbre de liaison 4 à l'enclu- me inférieure 2, qui elle-même la communique à l'élément à foncer. La figure 2 représente une seconde forme d'exécution qui ne diffère pas de la première en ce qui concerne la disposition du double marteau électromagnétique 7-8, mais dans laquelle l'entra Inâment en rotation de l'élément à foncer est obtenu par un dispositif placé latéralement. Un moto-réducteur 30,d'axe 31 parallèle à l'axe principal 6 de l'appareil, est bridé sur un carter 32 solidaire de la partie inférieure de l'appareil L'arbre de sortie 33 du moto-réducteur 30 porte un pignon 34, relié par une chaîne sans fin 35 à un autre pignon 36 usiné avec un logement en forme de "six pans creux" suivant son axe Le pignon 36 est monté coulissant autour de l'enclu- me inférieure 2, possédant un usinage extérieur complé- mentaire à six pans 37, ce qui permet l'entraînement en rotation de l'enclume 2, donc de l'élément à foncer, -8- sans empêcher le déplacement axial de cette-enclume 2. Toute la transmission précédemment décrite est logée à l'intérieur du carter 32. Comme le montre encore la figure 2, l'arbre de liaison et les enclumes peuvent être forés de part en part, l'ar- bre en question étant dans ce cas remplacé par un tube 38 et les enclumes 2 et 3 comportant des perçages axiaux respectivement 39 et 40, qui prolongent le tube 38 En prévoyant aussi sur le couvercle supérieur 41 un orifice 42 percé suivant l'axe 6, on dispose alors d'un passage axial continu, pour l'extraction et la récupération de carottes à la partie supérieure du dispositif, éventuel- lement pour la circulation de fluides utilisés dans les opérations de forage. Le dispositif de fonçage et d'arrachement précédemment décrit est applicable à des éléments divers tels que pieux, tubes, palplanches, tiges, etc L'extrémité extérieure de l'enclume inférieure 2 comporte, pour le raccordement de ces éléments, des moyens 42 adaptés à chaque cas d'application, par exemple une tête filetée pour des éléments vissables Dans le cas o sont prévus des moyens pour l'entraînement en rotation des éléments en question, l'invention est plus particulièrement appli- cable au domaine du forage. Dans le cas inverse o le double marteau électroma- gnétique est utilisé seul, sans moyens d'entraînement en rotation, le dispositif de fonçage et d'arrachement objet de l'invention peut être, comme l'illustre la figure 3, suspendu au câble 43 d'une grue; dans ce cas il est avantageux de relier le câble 43 au sommet du corps 44 du dispositif par un élément souple 45, tel que ressort ou bloc de caoutchouc Le passage du fonçage à l'arrachement se fait alors en déplaçant le corps 44 du dispositif par rapport aux enclumes solidaires des éléments à foncer ou à arracher. Ce déplacement peut être obtenu en laissant reposer le corps 44 du dispositif par l'intermédiaire de la butée 251404 e 9 basse 25 sur l'enclume inférieure 2 (voir figures 1 et 2) pour le fonçage, et en tirant le corps 44 vers le haut pour amener l'enclume supérieure 3 en contact avec la butée haute 27, pour l'arrachement, l'élément souple d'accrochage 45 permettant d'absorber les à-coups à l'ar- rachement en évitant de les transmettre au câble de suspension 43. Dans une variante, représentée sur les figures 4 et 5, l'enclume supérieure 3 possède deux oreilles latérales 46, situées à l'extérieur du corps 44 entre les deux pattes d'accrochage 47 du dispositif à un câble ou autre moyen de suspension Deux petits vérins électriques 48 ont leurs corps fixés de part et d'autre de la partie supérieure du corps 44 du dispositif, tandis que leurs tiges 49 sont reliées respectivement aux deux oreilles 46, avec interposition de disques ou plots élastiques 50. Ce montage a l'avantage de ne pas transmettre de vibratikns au câble ou autre moyen de suspension, l'impulsion de recul étant reprise sur les éléments à foncer. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de ce dispositif de fonçage et d'arrachement qui ont été décrites ci-dessus, à titre d'exemples; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application conçues suivant les mêmes principes. - REúENDICATIONS 1 Dispositif de fonhage et d'arrachement pour pieux, tubes, palplanches, tiges, etc, caractérisé en ce qu'il comprend deux marteaux électromagnétiques super- posés ( 7,8), disposés suivant un même axe ( 6) et agissant en sens opposés, entre lesquels est montée une masse mobile oscillante commune ( 1), suspendue élastiquement, les pièces polaires respectives ( 2,3) des deux marteaux ( 7,8) constituant des enclumes, dont celle inférieure ( 2), frappée par la masse mobile ( 1) pour le fonçage, est munie à son extrémité extérieure de moyens ( 42) permettant le raccordement des éléments à foncer ou à arracher, et dont celle supérieure ( 3), frappée par la masse mobile ( 1) pour l'arrachement, est reliée à celle inférieure ( 2) par un arbre ( 4) ou un tube ( 38) en matériau amagnétique tra- versant de part en part la masse mobile ( 1) par un trou ( 5) foré suivant l'axe ( 6) de cette dernière. 2 Dispositif de fonçage et d'arrachement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux marteaux électromagnétiques ( 7,8) sont reliés à un système élec- trique commun d'alimentation et de commande ( 22), par l'intermédiaire d'un commutateur ( 23) permettant de diriger à volonté des impulsions de courant vers le bobinage ( 9) de l'un des marteaux ( 7) pour le fonçage, ou vers le bobinage ( 12) de l'autre marteau ( 8) pour l'arrachement de l'élément raccordé à l'enclume inférieure ( 2). 3 Dispositif de fonçage et d'arrachement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend, pour l'entraînement en rotation de l'élément à foncer, un motoréducteur électrique ( 28) disposé suivant l'axe ( 6) du double marteau électromagnétique ( 7,8) et accouplé, par l'intermédiaire d'un arbre de sortie cannelé ( 29), à l'enclume supérieure ( 3), le mouvement de rotation étant transmis par l'arbre ( 4) ou le tube ( 38) de liaison a l'enclume inférieure ( 2). 4 Dispositif de fonçage et d'arrachement selon la il - revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend, pour l'entraînement en rotation de l'élément à foncer, un moto réducteur électrique ( 30) placé latérale- ment, par rapport à l'axe ( 6) du double marteau électro- magnétique ( 7,8), et ayant son arbre de sortie ( 33) relié, par l'intermédiaire d'une transmission telle qu'à chaîne sans fin ( 35), à un élément rotatif creux ( 36) monté coulissant autour d'une partie de profil extérieur cor- respondant ( 37) de l'enclume inférieure ( 2). 5 Dispositif de fonçage et d'arrachement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le tube de liaison ( 38) traversant la masse mobile ( 1) est prolongé par des perçages axiaux ( 39,40) ménagés respectivement dans les deux enclumes ( 2,3), pour constituer un passage axial continu destiné à l'évacuation de carottes ou à la circulation de fluides de forage. 6 Dispositif de fonçage et d'arrachement selon la revendication 1 ou 2, sans entraînement en rotation de l'élément à foncer, caractérisé en ce que son corps ( 44) porte, à sa partie supérieure, des vérins électriques ( 48) dont les tiges ( 49) sont reliées, avec interposition de disques ou plats élastiques ( 50), à l'enclume supérieu- re ( 3), de manière à permettre le passage du fonçage à l'arrachement tout en évitant la transmission des vibra- tions au moyen de suspension ( 43) du dispositif.