Brevet FR2523202A1 — publié le 19830916

La présente invention concerne un marteau pneumatique de forage, et plus particulièrement un marteau du type "fond-de-trou", c'est à dire destiné à travailler au fond même du trou que l'on est en train de forer. De tels appareils sont donc disposés à l'extrémité d'un ensemble de tubes qui servent à lui transmettre l'air comprimé de fonctionnement ainsi que la poussée et le mouvement général de rotation pour régulariser l'action du taillant de perforation. De tels marteaux pneumatiques destinés à travailler au fond du trou comportent généralement un corps tubulaire alimenté en air comprimé, un mécanisme de distribution, un piston frappeur, et un taillant recevant les chocs du piston frappeur pour les transmettre à la roche Le piston frap- peur est mobile dans un cylindre formé par une chemise intérieure, et entre la chemise et la paroi intérieure du corps du marteau sont ménagés des pas- sages longitudinaux servant à amener l'air comprimé agissant sur le piston, d'autres passages servant à l'échappement de l'air après son action sur l'une ou l'autre face du piston frappeur Lorsque de tels marteaux sont pré- vus pour une amenée indépendante d'un fluide de chasse de déblais, ils com- portent une pièce de raccordement axial à la tuyauterie d'amenée du fluide à travers les tubes de forage, et un tube axial traversant de part en part tout l'ensemble du marteau, c'est à dire en particulier le piston frappeur, pour venir déboucher dans un alésage axial ménagé dans le taillant Un tel marteau pneumatique a été décrit par exemple dans le brevet fran ais publié sous le numéro 2 044 939. Pour obtenir des efforts suffisants de frappe du piston frappeur sur le taillant, et par conséquent sur la roche à briser, on utilise de l'air comprimé sous forte pression, sous 20 à 25 bars par exemple La consommation qui peut être de l'ordre par exemple de 10 à 15 Nm 3 par minute impose donc l'utilisation de compresseurs de fort débit sous forte pression, c'est à dire de matériels lourds et encombrants Il s'agit en outre de matériels onéreux, aussi bien en valeur d'achat et d'immobilisation, qu'en coût de fonctionnement car la consommation d'énergie est importante. La présente invention permet une réduction importante de ces coûts, et en particulier, à même efficacité de forage, une importante réduction de la consommation d'énergie. L'invention concerne donc un marteau pneumatique de forage de type "fondde-trou", comportant un corps tubulaire alimenté en air comprimé portant un taillant de perforation, et dans lequel un piston frappeur est mis en mouvement alternatif dans une chemise intérieure formant fourreau par un mécanisme de distribution d'air comprimé alternativement au-dessus et audessous du piston frappeur de manière à ce qu'il vienne cycliquement frapper sur le taillant et remonter. Selon l'invention le marteau comporte deux alimentations séparées d'air comprimé, respectivement à haute et basse pression, le mécanisme de distribution assurant alternativement l'alimentation en air haute pression de la chambre supérieure au-dessus du piston frappeur pour le projeter vers le taillant avec mise à l'échappement de la chambre inférieure, puis ltali- oe mentation 7 air basse pression de la chambre inférieure pour faire remonter le piston avec mise à l'échappement de la chambre supérieure. Selon une forme particulière de réalisation de l'invention l'ali- mentation en air basse pression de la chambre inférieure est assurée par une chambre axiale intérieure du piston frappeur, tandis que l'alimentation en air haute pression de la chambre supérieure est assurée par des lumières traversant le fourreau et des rainures longitudinales formées extérieure- ment dans l'épaisseur du fourreau. L'invention sera mieux comprise en se référant à un mode de réali- sation particulier donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés. La figure 1 est une vue générale en coupe longitudinale, en deux parties, d'un marteau pneumatique réalisé selon l'invention. Les figures 2 à 5 sont des vues partielles qui montrent les posi- tions successives du piston frappeur au cours d'un cycle de fonctionnement. En se référant tout d'abord à l'ensemble des deux parties de la figure 1, on verra que le corps principal 1 du marteau est vissé à sa par- tie inférieure sur un embout 2 dans lequel coulisse la queue cannelée du taillant de perforation 3 La queue du taillant est arrêtée en rotation par rapport au corps, et limitée en déplacement axial par une clavette tangen- tielle 4 qui porte sur un dégagement 5 de la queue. Un fourreau cylindrique 7 double intérieurement le corps 1 sur pres- que toute sa longueur A sa partie inférieure le fourreau 7 prend appui sur une bague entretoise 8 de forme générale conique, percée d'orifices radiaux 9, et qui -rend elle-même appui sur l'embout 2 De façon analogue l'autre extrémité du fourreau 7 est en butée sur une bague 10 munie de conduits radiaux 11 La bague 10 est maintenue par l'extrémité de l'embout de rac- cordement 13 vissé sur le corps 1 Par son autre extrémité l'embout 13 reçoit les pièces usuelles de liaison avec les tubes et tiges d'alimenta- tion et de manoeuvre du marteau La pièce 15 qui transmet la poussée sur le marteau forme un premier conduit annulaire 16 autour d'un tube 17; un second conduit annulaire 18 est formé entre la face interne du tube 17 et un tube central 19. Par sa surface interne le fourreau 7 sert de guide au piston frap- peur coulissant 21 qui peut se déplacer librement entre une position basse telle que représentée sur la figure 1 o il est au contact de l'extrémité de la queue du taillant, et une position haute comme on le verra plus loin lors de la description du fonctionnement de l'appareil La partie supérieure du frapeur 21 enserre en permanence la partie basse du tube 17 dont l'ex- trémité inférieure pleine 23 comporte des canaux 24 qui font communiquer le conduit annulaire 18 avec une chambre centrale 25 à l'intérieur du frappeur 21 La chambre 25 est prolongée par deux conduits axiaux 26 et 27, ce der- nier débouchant à la partie inférieure du frappeur Extérieurement le frap- peur 21 comporte une gorge circulaire 28. La surface extérieure du fourreau 7 comporte trois séries de rainu- res longitudinales; pour simplifier le dessin on n'a représenté ici qu'une seule rainure de chaque type Une première série de rainures supérieures 30 fait communiquer la chambre annulaire 31 qui entoure la bague 10 avec au- tant d'orifices 32 qui débouchent à l'intérieur du fourreau Une deuxième série de rainures inférieures 34 aboutissent à la chambre annulaire 35 en- tourant la bague inférieure 8; les orifices 36 et 37 traversent la paroi du fourreau 7 et débouchent dans ces rainures 34 Enfin une troisième série de rainures 39 fait communiquer les orifices 40 et 41 qui traversent aussi la paroi du fourreau 7. On notera que la chambre 35, autour de la bague 8, communique avec l'extérieur du marteau par les conduits 9, par les jeux entre les cannelures du taillant et les gorges conjuguées de l'embout 2, et par la chambre 47 qui communique avec l'extérieur par les conduits d'échappement 48. Le tube central 19-sert à lamenée d'eau utilisée pour chasser les déblais en fond de trou Pour cela le tube 19 se prolonge à la partie infé- rieure jusqu'à pénétrer dans la queue du taillant qui comporte un canal cen- tral conjugué 43 La pénétration du tube dans la queue du taillant est dé- terminée pour que le tube reste engagé quelle que soit la position du tail- lant dans son déplacement axial Le canal central 43 est pmlongé par un canal 44 qui vient déboucher par des orifices 45 à la périphérie du taillant /4 pour en chasser les déblais. Le conduit annulaire extérieur 16 est alimenté en air comprimé à hau- te pression, par exemple sous 20 à 25 bars Le conduit annulaire intérieur 18 est alimenté en air comprimé à basse pression par exemple sous 6 bars. On n'a las représenté sur les dessins les raccords d'alimentation simultanée du marteau par les trois fluides différents, liquide de chasse pour le tube central 19, air basse pression pour le conduit 18, air haute pres- sion pour le conduit 16 De tels raccords, ainsi que la structure des tubes allonges de liaison avec la surface ont été déjà décrits par exemple par le brevet français publié sous le numéro 2 126 118. On se réfàrera maintenant aux figures 2 à 5 pour comprendre le fonc- tionnement du marteau, ainsi alimenté en air comprimé sous deux pressions différentes Sur la figure 2, comme sur la figure 1 précédente, le piston frappeur 21 est représenté en position basse, juste après son -impact sur la queue du taillant Dans cette position l'air à haute pression remplit le conduit 16, la chambre intermédiaire 49, les conduits 11, la chambre annu- laire 31, les rainures 30 et les orifices 32; mais ceux-ci, à l'intérieur du fourreau, sont obturés par le frappeur 21 et l'air haute pression reste prisonnier dans les rainures 30 Par contre l'air à basse pression qui ar- rive par le conduit 18 passe par les conduits 24 dans la chambre 25, et de là par les conduits 26 et 27 remplit la chambre inférieure 50 sous le frap- peur 21 La pression dans la chambre inférieure 50 fait remonter le frap- peur 21 sans autre réaction que son propre poids car la chambre supérieure 51 communique alors librement avec l'échappement à l'extérieur du marteau par les orifices 36, les rainures 34 et la chambre 35. Lorsque dans sa course de remontée le frappeur atteint la position re- présentée à la figure 3, l'arrivée d'air à basse pression est interrompue par obturation des orifices 24 par les parois de la chambre 26 En même temps la chambre 50 est mise à l'échappement par l'ouverture des orifices 37 qui la font alors communiquer avec les rainures 34. Sous l'impulsion donnée le frappeur 21 va poursuivre sa course vers le haut et la gorge 28 va se trouver face aux orifices 32 et se remplir d'air à haute pression. Lorsque le frappeur atteint la position représentée à la figure 4 la gorge 28, déjà pleine d'air sous haute pression, fait directement commu- niquer les orifices 32 et 40, si bien que par les rainures 39 et les orifi- ces 41 la chambre 51 se trouve remplie d'air sous haute pression. Les orifices d'échappement 36 étant déjà fermés, la haute pression dans la chambre 51 repousse violemment le frappeur 21 vers le bas, sans contrepression puisque la chambre inférieure 50 est alors à l'échappement par les orifices découverts 37. Au cours de sa course descendante (figure 5), le frappeur 21 ferme d'abord l'alimentation haute pression de la chambre 51, puis met celle-ci à l'échappement en découvrant les orifices 36 Un peu avant l'impact sur l'extrémité de la queue du taillant l'échappement de la chambre 50 est fermé par obturation des orifices 37, puis l'air basse pression est à nou- veau amené dans la chambre 50 par ouverture des orifices 24 sur la chambre 25, et le cycle peut recommencer. On voit qu'ainsi à chaque cycle, c'est à dire à chaque aller et retour du frappeur 21, seule la phase active de lancée du frappeur vers le tail- lant est consommatrice d'air à haute pression, tandis que la phase inactive de remontée ne consomme que de l'air sous basse pression; l'effort engen- dré par la basse pression dans la chambre 50 est suffisante pour assurer la libre remontée du frappeur qui bénéficie d'ailleurs de l'effet de re- bond lors du choc sur l'extrémité de la queue du taillant La consommation en air à haute pression est donc globalement divisée sensiblement par deux, ce qui permet ?our la même puissance de perforation, d'utiliser un maté- riel beaucoup moins encombrant, moins coûteux à l'achat et moins coûteux en consommation d'énergie L'alimentation en air comprimé sous basse pres- sion de l'ordre de 6 bars ne nécessite en effet qu'un raccordement à un réseau usuel de distribution, ou un groupe compresseur de faible coût d'achat et de consommation. On notera qu'à l'échappement, aussi bien l'air haute pression après action dans la chambre supérieure 51 que l'air basse pression après travail dans la chambre inférieure 50, se retrouvent mélangés dans la chambre 35, puis à la sortie du marteau dans les conduits 48. Bien entendu l'invention n'est pas strictement limitée au mode de ré- alisation qui vient d'être décrit à titre d'exemple, mais elle couvre éga- lement les réalisations qui n'en différeraient que par des détails, par des variantes d'exécution, ou par l'utilisation de moyens équivalents. Ainsi, bien que la description ci-dessus ait été faite pour un mar- teau pneumatique comportant une amenée centrale de fluide de chasse, on ob- serverait lé même avantage de réduction de consommation d'énergie pour un marteau sans fluide de chasse, et dont les déblais ne seraient évacués que par l'air d'échappement issu des conduits 48. REVENDIC Ar IONS 1. Marteau pneumatique de perforation de type "fond-de-trou", comportant un corps tubulaire ( 1) alimenté en air comprimé et portant un taillant de perforation ( 3), et dans lequel un piston frappeur ( 21) est mis en mouvement de va-et-vient dans une chemise intérieure ( 7) formant fourreau par un mécanisme de distribution de l'air comprimé alternativement au-dessus et au-dessous du piston frappeur de manière à ce qu'il vienne cycliquement frapper sur le taillant et remonter, caractérisé par le fait que le marteau comporte deux alimentations séparées ( 16, 18) d'air comprimé, respectivement à haute et basse pression, le mé- canisme de distribution assurant alternativement l'alimentation en air haute pression de la chambre supérieure ( 51) au-dessus du piston ( 21) pour le projeter vers le taillant avec mise à l'échappement de la chambre infé- rieure ( 50), puis l'alimentation en air basse pression de la chambre infé- rieure ( 50) pour faire remonter le piston ( 21) avec mise à l'échappement de la chambre supérieure ( 51). 2. Marteau pneumatique selon revendication 1, caractérisé par le fait que l'alimentation en air basse pression de la cham- bre inférieure est assurée par une chambre axiale intérieure ( 25) du pis- ton frappeur ( 21), tandis que l'alimentation en air haute pression de la chambre supérieure ( 51) est assurée par des lumières ( 32, 40, 41) traver- sant le fourreau ( 7) et des rainures longitudinales ( 30, 39) formées exté- rieurement dans l'épaisseur du fourreau. 3. Marteau pneumatique selon revendication 1, caractérisé par le fait que les conduits d'échappement ( 36, 37), respecti- vement de l'air haute pression de la chambre supérieure ( 51) et de l'air basse pression de la chambre inférieure ( 50), présentent une partie commu- ne ( 34) débouchant à la partie inférieure du marteau. 4. Marteau pneumatique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un conduit axial " 9) d'alimentation en fluide de chasse des déblais.