Brevet FR2535779A1 — publié le 19840511

L'invention est relative aux outils de forage du sol pour réaliser dans celui-ci des trous cylindriques. Parmi ces outils, l'invention concerne ceux qui sont du type a carottier, c'est- & dire comportant en partie basse un cylindre de carottage totalement ouvert à sa partie inférieure, fermé à sa partie supérieure, et traversé axialement par une tige tournante propre à coulisser axialement par rapport au cylindre et munie à son extrémité inférieure libre d'une pointe de centrage et, éventuellement, d'un disque ou autre organe de remplissage du cylindre. Le mouvement de rotation du cylindre et de la tige axiale est obtenu par un groupe moteur hydraulique dont le corps est fixe, tandis que le mouvement axial relatif entre le cylindre et la tige axiale est obtenu par au moins un vérin, et que l'effort axial de forage est donné par le bras de support ou analogue d'un engin porteur qui assure également la descente de l'outil par action sur le cylindre ou sur la tige, suivant le type d'outil. Un outil de ce genre est connu par exemple par le bren vet français 74.04937 (2.260.665) des demandeurs. Dans tous les outils connus, on rencontre successivew ment, de haut en bas, un moyen d'accrochage au bras de support de l'engin, le groupe moteur hydraulique, un joint tournant traversé par l'arbre de sortie du groupe moteur, le ou les vérins dont la tige constitue la tige axiale citée, et le cylindre. Selon les outils, le groupe moteur entraîne en rotation soit le cylindre qui, à son tour, entraîne la tige par une liaison coulissante à profils conjugués, soit la tige qui, à son tour, par le même genre de liaison, entraîne le cylindre.Dans les deux cas, en raison de la présence du vérin et du joint tournant, il existe une grande distance axiale entre le groupe moteur et les organes travaillant directement le sol sous pression axiale, c'est-àdire le cylindre et l'extrémité inférieure de la tige axiale. I1 s'ensuit que l'on ne peut transmettre qu'un couple limité de forage, ce qui maintient les capacités de forage à un niveau relativement faible, et provoque de nombreuses pannes notamment en raison des vibrations. De plus, comme le joint tournant est traversé par l'arbre de sortie du groupe moteur, il doit être de grandes dimensions et de conception spéciale, ce qui aggrave l'encombrement, le cout et les risques de panne. L'invention a notamment pour but de proposer un outil de forage du type indiqué qui ne présente pas ces inconvénients. A cet effet, l'outil selon l'invention est caractérisé par le fait qu'il comporte, de haut en bas, un moyen d'ac- crochage et de blocage en rotation par rapport-au bras de support ou analogue de l'engin, un manchon solidaire au moins en partie du moyen d'accrochage et renfermant au moins un vérin propre à provoquer le mouvement axial relatif entre le cylindre et la tige axiale, un groupe moteur, porté par ledit manchon et alimenté à travers lui, dont l'arbre de sortie est solidaire du cylindre et creux pour le passage de ladite tige axiale depuis l'intérieur du cylindre jusqu'à l'intérieur du manchon. On comprendra bien l'invention à l'aide de la description qui va suivre et en référence aux dessins annexés dans lesquels Fig. 1 est une coupe axiale schématique d'un outil selon un premier mode de réalisation de l'invention ; Fig. 2 est une vue analogue relative à un second mode de réalisation Fig. 3 et 4 sont des vues analogues relatives à un troisième mode de réalisation dans deux positions ; et Fig. 5 est une vue analogue relative à un quatrièmemode de réalisation. On décrira tout d'abord les éléments communs aux divers modes de réalisation représentés sur les Fig. 1 à 5. L'outil selon l'invention comporte, en partie haute, un organe 1 pour son accrochage à l'extrémité d'un bras, flèche, etc..., d'un engin porteur. Cet organe 1 permet le basculement de l'outil sur le bras autour d'un axe transversal, par exemple pour son transport, mais il est agencé pour que l'outil dans son ensemble ne puisse pas tourner sur lui-même par rapport au bras autour d'un axe longitu dinal, par réaction au couple de forage. Cet organe 1 reçoit du bras de l'engin l'effort vertical de forage. Cet organe d'accrochage est couplé rigidement à l'ex- trémité supérieure d'un manchon ou fourreau vertical 2 dont l'extrémité basse porte le carter 3 d'un groupe moteur 4,.en général un groupe moteur ou moto-réducteur hydraulique, ali menté å travers l'intérieur du manchon 2. L'arbre 5 de sortie du groupe moteur 4 est solidaire axialement et en rotation d'un cylindre de carottage 6, éventuellement de même diamètre que le carter du groupe 4, mais interchangeable selon le diamètre du trou à forer. Le cylindre 6 est totalement ouvert sur sa face inférieure et fermé à sa partie supérieure par un couvercle solidaire 7. Le couvercle 7 porte un moyeu 8 qui est fixé à l'arbre 5 du groupe moteur par un accouplement à flasques boulonnés 9. Le couvercle 7, le moyeu 8 et l'arbre 5, qui est creux, sont traversés axialement par une tige 10 dont l'extrémité inférieure s'étend dans le cylindre 6 et porte une pointe de centrage 11 dont le roule est de positionner l'outil au début du forage et, éventuellement, un disque, ou organe analogue, de remplissage du cylindre, en lui-même connu. La tige 10 reçoit l'effort de forage de l'organe d'accrochage 1, directement ou indirectement. Le cylindre 6 entraîne normalement en rotation la tige axiale 10 par une liaison à profils conjugués entre le moyeu 8 et la tige, ces profils étant généralement polygonaux ou circulaires cannelés ou rainurés. Les profils conjugués ne sont présents que sur le moyeu 8 et sur la partie de la tigé 10 voisine de son extrémité inférieure, tandis que l'alésage de l'arbre 5 et le reste de la tige 10 sont à profils circulaires identiques circonscrits aux profils conjugués. La tige 10 et le cylindre 6 sont susceptibles d'un mouvement axial relatif sous l'action d'au moins un vérin à double effet logé dans le manchon 2. En fonctionnement, le bras de l'engin applique sur le manchon 2 l'effort vertical de forage et le bloque en rotation, le groupe moteur 4 entraîne en rotation le cylindre 6 par son arbre de sortie 5, le cylindre 6 et la tige 10 sont soumis à l'effort vertical de forage, et le vérin définit la position axiale relative instantanée du cylindre 6 et de la tige, cette position dépendant, de façon connue, du type de forage à réaliser et de la phase de forage en cours. A ce point de la description, il apparaît que, du fait que l'arbre 5 est creux, on peut le faire traverser par la tige axiale 10, ce qui permet de rendre très voisins le groupe 4 et le cylindre 6 et donc de transmettre un couple important. Au surplus, le carter 3 du groupe 4, s'il est de même diamètre extérieur que le cylindre, contribue directement au guidage de l'outil contre la paroi du trou foré. Enfin, comme la tige 10 présente, au-dessus de sa partie profilée, une section circulaire identique, au jeu près, à celle de l'alésage de l'arbre 5 et que la tige 10 et l'arbre 5 coopèrent sur une longueur appréciable, on assure un bon guidage de cette tige 10. On va maintenant décrire les réalisations particulières des Fig. 1 à 5. Dans la Fig. 1, le manchon 2 est d'un seul tenant et solidaire, avec le carter 3, de l'organe d'accrochage 1. Le vérin 13 unique a un corps 14 solidaire du manchon ou de l'organe d'accrochage et une tige 15, dans l'axe de l'outil, qui est solidaire axialement de la tige axiale 10 mais qui peut tourner par rapport à celle-ci grace à un palier de roulement 16 du type butée axiale qui transmet la poussée axiale du vérin 13 à la tige axiale 10 mais bloque la tige de vérin 15 en rotation. L'extrémité inférieure de la tige 15 porte fixement une cage 30 qui peut coulisser axialement dans le manchon 2 mais qui est calée en rotation ; au voisinage de l'extrémité supérieure de la tige est prévue une collerette radiale 31 qui est emprisonnée entre deux paliers de roulement 32 formant butées axiales reçus dans la cage 30 ; l'extrémité supérieure de la tige 10 est reçue dans le palier supérieur 32. La cage 30 et le manchon 2 sont aménagés pour le passage/conduits d'alimentation du groupe 4.Comme on le voit sur la Fig. 1, seule la partie inférieure de la tige axiale 10 est à profil non circulaire, de manière à avoir la plus grande longueur possible de profils circulaires de guidage entre la partie cylindrique circulaire de la tige 10 et l'alésage cylindrique circulaire de l'arbre 5 La longueur de profil non circulaire sur la tige 10 est telle que la tige puisse entre entraînée en rotation iusqud sa posi- tion la plus basse. Pour permettre le libre coulissement et le guidage de la tige 10 dans l'arbre creux 5 du groupe moteur 4, les profils conjugués sont inscrits dans le cercle de l'alésage de l'arbre 5 et de la partie lisse de la tige 10. La longueur axiale du manchon 2 est telle que la tige 10 puisse coulisser entre une position pour laquelle l'or- gane de remplissage 12 est voisin du couvercle 7 et une position pour laquelle il est sorti du cylindre 6. Cette longueur dépend donc notamment de la longueur axiale du cylindre 6. La variante de la Fig. 2 ne diffère de la Fig. 1 que par la suppression de la butée axiale 16, par le mode de transmission de l'effort vertical de forage entre le carter 3 du groupe 4 et le cylindre 6, la géométrie de la tige 10 et la longueur du manchon 2. Pour le reste, les deux réalisations sont identiques et on pourra se référer à la description qui a été faite pour la Fig. 1. Du fait que la butée axiale 16 est supprimée, la tige de vérin 15 et la tige axiale 10 forment une seule pièce. La tige de vérin 15 est donc tournante ; il suffit donc d'aménager à cet effet -les segments du piston du vérin et les joints de passage de la tige de vérin à travers le corps du vérin. L'arbre de sortie 5 du groupe 4 reçoit l'effort axial de forage de la part du carter 3 par une butée axiale 33 et porte une collerette radiale 17 qui est emprisonnée entre deux roulements 18 formant butées axiales et contenus dans une cage 19 fixée au carter 3. Ainsi l'effort vertical de forage est transmis par le carter 3 à l'arbre 5 sans faire intervenir les paliers de roulement normaux de l'arbre 5 dans le groupe 4. La partie inférieure extrême de la tige 10 présente, sur une longueur correspondant à la longueur du moyeu 8, un profil, notamment circulaire, qui est inscrit dans les profils conjugués de la tige 1O, dans sa partie profilée, et de l'alésage du moyeu, de manière que, lorsque la tige 10 est en position haute extrême par rapport au cylindre 6, elle ne soit pas entraînée en rotation par le moyeu. Enfin, toutes choses égales par ailleurs, le manchon 2 peut être raccourci, par rapport à celui de la Fig. 1, du fait de la suppression de la butée axiale 16, d'une longueur sensiblement égale à deux fois l'encombrement axial de la butée 16 augmentée de la longueur de la course du vérin. La variante des Fig. 3 et 4 ne diffère de la réalisation de la Fig. 2 que par le mode d'obtention du mouvement axial relatif entre la tige axiale 10 et le cylindre 6. Pour le reste, on pourra se référer à la description précédente. Dans les Fig. 3 et 4, le manchon 2 est du type télescopique ; sa partie intérieure fixe 2a porte les corps 20 de deux vérins 21 à double effet excentrés, diamétralement opposés, dont les tiges 22 sont accrochées à la partie extérieure télescopique 2b du manchon 2, qui est coulissante et bloquée en rotation par rapport à la partie fixe 2a. La partie télescopique est solidaire du carter 3 du groupe moteur 4. Alors que, dans les réalisations des Fig. 1 et 2, la position verticale du cylindre 6 était definie par le bras de l'engin porteur et celle de la tige axiale 10 par le vérin 13, dans le mode de réalisation des Fig. 3 et 4 la position verticale du cylindre 6 est définie par les vérins 21 et celle de la tige 10 par le bras de l'engin. Comme on le voit sur les Fig. 3 et 4, la tige 10 se prolonge jusqu'à la partie haute du manchon 2 pour y recevoir l'effort axial de forage à travers un roulement 23 formant butée axiale, du même type que les butées 16 et 33 des Fig. 1 et 2. Au voisinage de l'extrémité inférieure fixe 2 du manchon, la tige 10 est guidée transversalement en étant reçue dans un roulement 34 supporté par un voile radial 35 qui est traversé par les deux tiges de vérins 22 et les canalisations hydrauliques 36 du groupe moteur 4 à travers des orifices 37. Eventuellement, on pourrait supprimer la butée 23 et arrêter la tige 10 au niveau du roulement 34 qui serait alors remplacé par une butée. axiale analogue aux butées 16, 33 et 23. L'agencement des Fig. 3 et 4 permet à l'opérateur, au début du forage, d'appuyer la pointe 11 sur le sol et de faire descendre le cylindre 6 par les vérins 21. Le mode de réalisation de la Fig. 5 ne diffère de celui de la Fig. 2 que par l'agencement du vérin commandant la position axiale de la tige 10 par rapport au cylindre 6. Pour le reste, on pourra se référer à la description qui a été faite pour la Fig. 2. Dans ce mode de réalisation le manchon 2 peut également être raccourci. Le vérin central unique 24 est du type tournant. Son corps 25 est solidaire dé l'arbre 5 du groupe tandis que sa tige 26 est solidaire de la tige axiale 10. Le vérin 24, à double effet, est alimenté en fluide sous pression à travers un joint tournant 27. Dans ce mode de réalisation, le joint tournant 27 est l'équivalent de la butée axiale mécanique 16 de la Fig. 1. I1 peut être d'un type courant disponible sur le marché. A titre d'autre variante des réalisations des Fig. 1 et 2, on pourrait constituer le manchon 2 au moins en partie par le corps 14 du vérin 13. Par ailleurs, les divers modes de réalisation peuvent être combinés quant à leurs caractéristiques isolées, notamment les vérins, les butées axiales, les structures de manchon, et la géométrie de la tige 10. REVENDICATIONS 1. Outil de forage du sol du type à carottier, comportant un cylindre tournant de forage (6), ouvert sur sa face inférieure et fermé sur sa face supérieure (7), un groupe moteur (4) d'entraînement du cylindre (6) en rotation, une tige axiale (10) traversant la face supérieure (7) du cylindre (6) et munie à son extrémité inférieure libre d'au moins un accessoire (11, 12), cette tige tournant normalement avec le cylindre et étant susceptible d'un mouvement axial par rapport au cylindre, caractérisé par le fait qu'il comporte, de haut en bas, un moyen (1) d'accrochage et de blocage en rotation par rapport au bras de support ou analogue de l'engin, un manchon (2) solidaire au moins en partie du moyen d'accrochage (1) et renfermant au moins un vérin (13, 21, 24) propre à provoquer le mouvement axial relatif entre le cylindre (6) et la tige axiale (10), le groupe moteur (4), porté par ledit manchon (2) et alimenté à travers lui, dont l'arbre de sortie (5) est solidaire du cylindre (6) et creux pour le passage de ladite tige axiale (10) depuis l'intérieur du cylindre (6) jusqu'à l'intérieur du manchon. 2. Outil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la manchon (2) est d'un seul tenant et solidaire, en partie haute, de l'organe d'accrochage (1) et, en partie basse, du carter (3) du groupe (4). 3. Outil selon l'une des revendications 1 et 2, carac térisé par le fait que le manchon (2) renferme un vérin axial (13) sont le corps (14) est fixe et dont la tige (15) est solidaire axialement de ladite tige axiale (10), les tiges (10, 15) étant solidarisées l'une à l'autre ou un palier de roulement (16) formant butée axiale étant disposé entre elles à l'intérieur du manchon pour bloquer en rotation la tige de vérin (15). 4. Outil selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le manchon (2) est constitué, au moins en partie, par le corps (14) du vérin (13). 5. Outil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le manchon (2) est du type télescopique, sa partie fixe (2a) étant solidaire de l'orsane d'accrochage et sa partie télescopique (2b) étant solidaire du carter (3) du groupe (4), au moins un vérin excentré (21) ayant son corps (20) accroché à la partie fixe et sa tige (22) accrochée à la partie telescopique (2b), ladite tige axiale (10) se prolongeant jusque dans la partie fixe du manchon (2) pour y recevoir l'effort vertical de forage à travers un palier (23) formant butée axiale et prenant appui sur l'organe d'accrochage (1) ou sur la partie fixe (2a) du manchon. 6. Outil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'un vérin axial (24) a son corps (25) solidaire de l'arbre creux (5) du groupe (4), sa tige de piston étant solidaire de ladite tige axiale (10), et le vérin étant alimenté en fluide sous pression à travers un joint tournant (27) contenu dans le manchon (2). 7. Outil selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le carter (3) du groupe (4) a sensiblement le même diamètre extérieur que le cylindre (6) pour guider l'outil sur la paroi du trou de forage. 8. Outil selon l'une des revendications 1 à 7, carac térisé par le fait que la tige axiale (10) est entraînée en rotation par le cylindre (6) par une liaison à profils con jugulés, la tige axiale (10) ne comportant un tel profil que sur une partie voisine de son extrémité inférieure et le couvercle (7) du cylindre (6) portant un moyeu (8) à profil intérieur conjugué, tandis que l'alésage de l'arbre creux (5) du groupe (4) et la partie de la tige axiale (10) éloignée de ladite- extrémité ont un profil circulaire circonscrit auxdits profils, la tige (10) soit étant profilée jusqu'à son extrémité inférieure pour coopérer en permanence avec le profil conjugué du moyeu, soit présentant dans sa partie adjacente à son extrémité inférieure un profil, notamment circulaire, inscrit dans les profils conjugués de la tige et du moyeu pour cesser d'être entraînée en rotation par le cylindre (6) quand elle est en position haute. 9. Outil selon l'une des revendications 1 à 8, caractérise par le fait que le carter (3) du groupe-(4) est couplé axialement à l'arbre (5) par un système (17-19) de transmission de l'effort vertical de forage du carter (3) à l'arbre (5).