Brevet FR2538847A1 — publié le 19840706

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 à carottier, c'est-à-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 centrale tournant solidairement avec lui et propre à coulisser axialement par rapport au cylindre ; la tige est munie à son extrémité inférieure libre d'une pointe de centrage et, éventuellement, d'un disque ou autre organe de remplissage ou de vidage 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 en rotation, tandis que le mouvement axial relatif entre le cylindre et la tige axiale centrale est obtenu par au moins un vérin, et que l'effort axial général de forage est donné par le bras de support ou analogue d'un engin porteur qui assure également la descente globale 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 brevet français 74.04937 (2.260.665) et par la demande de brevet 82.18565 des demandeurs. Dans des outils connus, on rencontre successivement, 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 meme genre de liaison, en train 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.Il 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 entre de grandes dimensions et de conception spéciale, ce qui aggrave l'encombrement, le coat et les risques de panne. La demande de brevet ci-dessus élimine ces inconvénients par le fait que l'outil comporte, de haut en bas, un moyen d'accrochage 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. Ce dispositif présente les avantages importants consistant en ce que l'on peut réduire notablement la distance axiale entre le groupe moteur et les organes travaillant le sol, en ce que, s'il existe un joint tournant, il peut etre d'un type courant du commerce, et en ce que l'on peut transmettre des couples plus importants. Mais, du fait que l'arbre de sortie du groupe moteur est traversé par la tige axiale, on est rapidement limité pour le diamètre de celle-ci, et donc pour le couple a transmettre. L'invention a pour but, tout en conservant les avantages du brevet et de la demande de brevet ci-dessus, de permettre de transmettre des couples de forage très importants, par exemple en terrain dur ou pour des forages de grand diamètre. A cet effet, l'outil selon l'invention, comportant un cylindre tournant de forage, ouvert sur sa face inférieure et fermé sur sa face supérieure, une tige centrale axiale traversant la face supérieure du cylindre et munie à son extrémité inférieure libre d'au moins un accessoire de forage et/ou de centrage, cette tige tournant solidairement avec le cylindre par une liaison à profils conjugués et étant susceptible de coulisser axialement par rapport à celui-ci sous l'action d'au moins un vérin, et un groupe moteur d'entratnement en rotation du cylindre et de la tige axiale, le carter dudit groupe moteur étant fixe en rotation, est caractérisé par le fait que l'arbre de sortie du groupe moteur, dirigé vers le cylindre, porte rigidement l'extrémité supérieure de ladite tige centrale axiale, et le vérin de coulissement ayant l'un de ses éléments solidaire d'une partie fixe de l'outil et l'autre élément solidaire axialement du cylindre ou de la tige coulissant par rapport à ladite partie fixe de l'outil, le cylindre étant entraîné en rotation par ladite tige centrale axiale par la liaison à profils conjugués. Avec un tel agencement on conserve une distance minimale entre le groupe moteur et les organes de forage et, du fait que l'arbre de sortie du groupe moteur n'est plus traversé par la tige centrale axiale, à la fois l'arbre moteur et la tige peuvent être de diamètre important, ce qui permet la transmission de grands couples de forage. Au surplus, il n'existe pas de joint tournant, ce qui réduit le prix de revient et évite une source de panne. Selon un premier mode de réalisation, le vérin est disposé entre une partie fixe de l'outil et le carter du groupe moteur pour que celui-ci puisse coulisser axialement dans l'outil sous l'effet du vérin, en entraînant la tige ce trale axiale dans son mouvement axial, tandis que le,cylin- dre est solidaire axialement d'une partie fixe de l'engin à travers un palier de roulement. Selon un second mode de réalisation, le groupe moteur est solidaire par son carter d'une partie fixe de l'outil et le vérin est disposé entre ladite partie fixe de l'outil et axialement un élément coulissant solidaire/du cylindre à travers un palier de roulement. Dans les deux modes de réalisation, le vérin peut être situé au-dessus ou au-dessous du groupe moteur. Dans la première hypothèse, on aura de préférence un vérin central unique ; dans la deuxième, on aura au moins deux vérins excentrés. 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 le premier mode de réalisation de l'invention Fig. 2 est une vue analogue relative à une variante Fig. 3 est une coupe axiale schématique du second mode de réalisation ; et Fig. 4 est une vue analogue à la Fig. 3 et relative à une variante. On décrira tout d'abord les éléments communs aux divers modes de réalisationreprésentés sur les Fig. 1 à 4. 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 longitudinal, par rEaction-au couple de forage. Cet organe 1 reçoit du bras de l'engin l'effort vertical général de forage. U n manchon ou fourreau vertical 2 renferme un groupe moteur 3, en général un groupe moteur ou motorreducteur hydraulique, dont le carter est bloqué en rotation et qui est alimenté à travers l'intérieur du manchon 2, les canalisations d'-alimentation 4 n'étant représenta tées que sur la Fig. 1. L'arbre 5 de sortie du groupe moteur 3 est dirigé vers le bas et il porte rigidement, par une bride 6, l'extrémité supérieure d'une tige centrale axiale 7 dont l'extrémité in inférieure libre porte une pointe de centrage 8 et, le cas échéant, un disque 9 ou autre organe de forage, de remplissage et/ou d'évacuation de la carotte, en lui-même connu. La tige centrale axiale 7 coopère, pour le forage, avec un cylindre de carottage 10 de diamètre au moins égal à celui du manchon 2, et interchangeable selon le diamètre du trou à forer. Le cylindre 10 est totalement ouvert à sa partie inférieure et fermé à sa partie supérieure par une cloison radiale 11 formant couvercle. Le couvercle 11 est formé d'une seule pièce avec un moyeu axial 12 qui coopère avec la tige centrale axiale 7 de manière que celle-ci soit solidaire du moyeu, et donc du cylindre 10, en rotation, mais puisse coulisser librement en direction axiale par rapport à celui-ci. Le couplage en rotation est assuré par une liaison à profils conjugués, en elle-même connue, cés profils étant généralement polygonaux ou circulaires cannelés ou rainurés. Les profils conjugués ne sont présents que sur le moyeu 12 et sur la partie inférieure de la tige 7 qui coopère avec celui-ci, tandis que le reste de la tige 7 est à profil circulaire circonscrit aux profils conjugués. La tige 7 et le cylindre 10 sont susceptibles d'un mouvement axial relatif sous l'action d'au moins un vérin 13 à double effet logé dans le manchon 2. En fonctionnement, le bras de l'engin applique sur manchon 2 l'outil l'effort vertical de forage et bloque le/en rotation, le groupe moteur 3 entralne en rotation la tige centrale axiale 7 qui, à son tour, entrasse en rotation le cylindre 10 par la liaison à profils conjugués. Le cylindre 10 et la tige 7 tournent donc solidairement mais, sourellatal- tion du vérin 13, sont susceptibles d'un mouvement axial. A titre d'exemple, on a montré sur les Fig. 1, 2 et sur les Fig. 3, 4, respectivement, les deux positions axiales rela tives extremes du cylindre et de la tige. Sur les Fig. 1, 2, l'extrémité inférieure de la tige 7 est en position rentrée maximale, tandis que sur les Fig. 3 et 4, elle est en position sortie maximale. Le manchon 2 porte à son extrémité inférieure le.cylin- dre 10 par l'intermédiaire d'un palier de roulement 14 formant butée axiale. La butée axiale 14 comporte un flasque radial inférieur 15, sur lequel est monté le cylindre 10 par l'intermédiaire d'un couplage à chapes 16, un moyeu central 17 présentant un alésage circulaire 18 circonscrit au profil non circulaire de la partie inférieure de la tige 7, mais identique a celui du reste de la tige, et une collerette radiale intermédiaire 19.De chaque cOtX de la collerette 19 est monté un roulement 20 à action axiale ; les roulements 20 sont emprisonnés entre la collerette 19 et, respectivement, un capot inférieur fixe 21 et un flasque radial supérieur fixe 22 boulonnés en 23 sur l'extrémité inférieure du manchon 2. ---------- Le cylindre 10 est ainsi axialement solidaire du manchon 2 mais peut tourner par rapport à lui en étant entraîné par la tige centrale axiale 7. Quant au groupe moteur 3, il comporte un moteur 24 accouplé à un réducteur 25 placé sous celui-ci. On va maintenant décrire les réalisations particulières des Fig. 1 a 4. Sur las ri.q. 1 et 2, le manchon 2 est en une seule et solidaire de l'organe 1, - - -- pie ce / et le groupe moteur 3 est monte dans un support 26 qui'peut coulisser axialement par rapport au manchon sous l'action du vérin 13, en étant guidé et bloqué en rotation par un jeu de rails, glissières, clavettes ou analogues 27. Dans la réalisation de la Fig. 1, on dispose d'un vérin unique central 13 supérieur dont le corps 28 est accroché au couvercle supérieur 29, portant l'organe d'accrochage 1 et le manchon 2, par une chape 30, et dont la tige 31 est accrochée à son extrémité inférieure, par une chape 32, au support 26 du groupe moteur 3 formant cage dans la zone d'accrochage. Dans la variante de la Fig. 2, on dispose de deux vérins 13 excentrés inférieurs, disposés de part et d'autre de la tige centrale 7, dont le corps 28 est accroché à la partie inférieure du support 26 par une chape 33, et dont la tige 31 est accrochée au flasque 22 par une chape 34. En variante, le corps des vérins pourrait être accroché au flasque 22 et la tige de vérin au support 26. Les canalisations d'alimentation des vérins s'étendent le long de la face intérieure du manchon 2, entre les dispositifs de guidage. Un examen comparé des réalisations des Fig. 1 et 2 montre que, en plaçant les vérins sous le groupe moteur, la hauteur totale de l'outil peut être diminuée, mais que la longueur de la tige 7 est augmentée. Pour l'utilisation des outils selon les Fig. 1 et 2, le bras de l'engin définit la profondeur instantanée du cylindre de carottage 10, tandis que le ou les vérins 13 définissent la position axiale de la tige centrale axiale 7 par rapport au cylindre. Dans les Fig. 3 et 4, au contraire, le bras de l'engin définit la position instantanée de la tige 7 par rapport au sol, ce qui permet un centrage aisé en début de forage, sans avoir à actionner le bras, tandis que la profondeur du cylindre, et donc sa position axiale par rapport à la tige 7, est définie-par le vérin 13. Pour cela, le manchon 2 est au moins en partie mobile, la partie coulissante 2b, à sa partie inférieure, portant le cylindre 10 de manière indiquée précédemment, par l'intermédiaire de la butée axiale 14, du capot 21 et du flasque 22. La partie coulissante 2b du manchon est guidée en translation et bloquée en rotation par rapport à la partie fixe 2a par un dispositif 35 à rails, glissières, clavettes ou analogues. Quant au groupe moteur 3, il est fixe en position verticale par rapport à la partie fixe 2a du manchon 2. Dans le mode de réalisation de la Fig. 3, le support du groupe moteur est constitué par la partie fixe 2a de manchon et fixé à l'extrémité inférieure- d'une tige centrale axiale fixe 37 dont la partie supérieure porte ou constitue l'organe d'accrochage 1, de sorte que la tige 37,'le groupe moteur 3 et la tige centrale axiale 7 sont fixes en position verticale par rapport au bras de l'engin La partie mobile 2b du manchon 2 est située à l'extérieur de la partie fixe 2a et elle est bloquée en rotation par la partie fixe 2a, elle-me-me bloquée en-rotation avec le carter du groupe moteur par la tige 37e La partie mobile 2b du manchon porte, par des chapes 418 les tiges 31 de deux vérins 13 excentrés qui sont situés de part et d'autre de la tige centrale fixe 37 et dont les corps 28 sont accrochés au couvercle 40 de la partie'mobile 2b de manchon par des cha- pes 42. Le couvercle 40 est traversé par la tige fixe 37 par l'intermédiaire d'une douille 39 solidaire du couvercle et assurant le guidage vertical de celui-ci en participant le cas échéant à son blocage en rotation. Dans la variante de la Fig. 4, la partie mobile 2b du manchon 2 est située à l'extérieur de la partie fixe 2a solidaire de l'organe 1 par un couvercle 29. Le groupe moteur 3 est fixé directement dans la zone supérieure de la partie fixe 2a du manchon, au voisinage du couvercle 29, ou même directement sur celui-ci. Les deux vérins 13 sont situés sous le groupe moteur, de part et d'autre de la tige centrale axiale 7.Leur corps 28 est suspendu par une chape 43 à un flasque fixe 44 solidaire de la partie fixe 2b du manchon, tandis que leur tige 31 est accrochée par une chape 45 au flasque 22, Ce mode de réalisation présente l'avantage résidant en ce que le groupe moteur 3 et les corps de vérin sont fixes en position verticale par rapport au bras de l'engin, ce qui facilite grandement l'agencement des canalisations de fluide sous pression. Au surplus, le mode de réalisation de la Fig. 42 bien qu'il comporte une tige centrale axiale 7 plus longue-que celle de la FigO 3, est d'une longueur globale bien inférPeure, ce qui semble devoir lui conférer la préférence. A titre de variantes (non représentées) des divers modes de réalisation décrits, on pourrait faire transmettre l'effort vertical sur la tige centrale axiale 7, non pas par les paliers internes du réducteur 25, mais par un palier extérieur du genre butée axiales analogue à la butée 14, et on pourrait prolonger la liaison à profils conjugués jusque dans le moyeu 17 de la butée 14 en profilant l'alésage 18 du moyeu 17. et en prolongeant le profil sur la tige centrale axiale 7, ce qui diminuerait les efforts entre le moyeu 12 du cylindre 10 et la tige 7 REVENDICATIONS 1. Outil de forage du sol du type à carottier, compor- tant un cylindre tournant (10) de forage, ouvert sur sa face inférieure et fermé sur sa face supérieure, une tige axiale (7) traversant la face supérieure (11) du cylindre et munie à son extrémité inférieure libre d'au moins un accessoire (8, 9) de forage et/ou de centrage, cette tige tournant solidairement avec le cylindre par une liaison à profils conjugués et étant susceptible de coulisser axialement par rapport à celui-ci sous l'action d'au moins un vérin (13), et un groupe moteur (3) d'entrainement en rotation du cylindre et de la tige axiale, le carter dudit groupe moteur étant fixe en rotation, caractérisé par le fait que l'arbre de sortie (5) du groupe moteur, dirigé vers le cylindre (10), porte rigidement l'extrémitd supérieure de ladite tige centrale axiale (7), et le vérin (13) de coulissement ayant l'un de ses éléments (28, 31) solidaire d'une partie fixe (29, 22, 2a, 44) de' l'outil et l'autre élément solidaire axialement du cylindre (10) ou de la tige (7) coulissant par rapport à ladite partie fixe de l'outil, le cylindre étant entraîné en rotation par ladite tige centrale axiale par la liaison à profils conjugués. 2. Outil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le vérin est disposé entre une partie fixe (.29, 22) de l'outil et le carter du groupe moteur (3) pour que celui Ci puisse coulisser axialement dans l'outil sous l'effet du vérin, en entraînant la tige centrale axiale (7) dans son mouvement, tandis que le cylindre (10) est solidaire axialement d'une partie fixe (2) de l'outil à travers un palier de roulement (14) formant butée axiale. 3. Outil selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le groupe moteur (3) est monté sur un support (26) agencé pour coulisser par rapport à une partie fixe (2) de l'outil en étant guidé axialement et bloqué en rotation par un dispositif (27) à rails, glissieres, clavettes ou analogues. 4. Outil selon l'une des revendications 2 et 3, caraco térisé par le fait qu'il comporte un vérin supérieur (13) agissant entre la partie supérieure fixe de l'outil et le support (26) du groupe moteur. 5. Outil selon lune des revendications 2 et 3, caractérisé par le fait qu'il comporte deux vérins excentrés, de part et d'autre de la tige centrale axiale (7), agissant entre le support (26) du groupe moteur et l'extrémité in inférieure d'une partie fixe de l'outil. 6. Outil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le groupe moteur est solidaire par son carter d'une partie fixe Ç2a,37,44) del'outil et que le vérin est disposé entre ladite partie fixe et un élément coulissant (2b) solidaire axialement du cylindre à travers un palier de roulement (14) formant butée axiale. 7. Outil selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il comporte une tige centrale axiale supérieure fixe (37) de suspension de l'outil et du groupe moteur, et deux vérins supérieurs excentrés, de part et d'autre de celle-ci, ces vérins agissant entre une partie fixe basse (2a) de l'outil et un élément de manchon coulissant (2b) situé à l'extérieur d'un élément fixe de manchon (2a), les éléments de manchon (2a, 2b) coopérant dans une liaison coulissante et bloquée en rotation par un dispositif (35) à rails, glissières, clavettes ou analogues et l'élément de manchon coulissant (2b) portant, à son extrémité inférieure, le cylindre. 8. Outil selon la revendication 7, caractérisé par le fait que l'élément de manchon coulissant (2b) comporte un couvercle sunErieur (40) qui coopère avec la tige fixe (37) 1é cas chant dans une liaison coulissante et/bloquée en rotation, 9. Outil selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le groupe moteur (3) est solidaire par son carter d'une partie fixe haute (2a) de l'outil et que deux vérins inférieurs excentrés, disposés de part et d'autre de la tige centrale axiale (7), agissent sur le groupe moteur, entre un élément fixe (44) et un élément mobile (22, 2b) portant le cylindre (10) et guidé par l'élément fixe (2a) dans une liaison coulissante et bloquée en rotation par un dispositif (35) à rails, glissières, clavettes ou analogues. 10. Outil selon l'une des revendications 1 à 9, carac péris par le fait que le cylindre (10) comporte un moyeu (12) au alésage profilé coopérant dans une liaison coulissante d'entraînement en rotation par la tige centrale axiale (7), le cylindre étant accroché à un flasque (15) d'un moyeu (17), à alésage profilé ou circulaire, faisant partie d'un palier de roulement (14) du type butée axiale pour la transmission de l'effort vertical de forage au cylindre.