Brevet FR2598111A1 — publié le 19871106

La présente invention concerne un agencement du palier axial d'une machine de forage qui comprend un corps, un dispositif de percussion monté dans le corps, un manchon de rotation qui fonctionne comme un moyen de rotation pour un embout disposé sur un prolongement axial du dispositif de percussion, et un palier axial monté dans le corps de façon à absorber les forces axiales exercées sur le corps par l'intermédiaire de l'embout, ledit palier axial étant déplaçable axialement sous l'influence d'un 10 fluide sous pression agissant sur lui de façon à obtenir une élasticité. Dans des machines hydrauliques de forage par percussion connues, le dispositif de percussion monté dans le corps est conçu pour exercer des chocs axiaux successifs 15 sur un embout qui doit être fixé sur une tige de forage. L'embout est monté dans le corps de façon à pouvoir tourner et coulisser axiaement, par exemple au moyen d'un manchon de rotation qui est accouplé à un mécanisme d'entraînement en rotation supporté par le corps. Le corps est à son tour supporté par et fixé sur un chariot d'entrainement sur lequel la machine de forage est déplaçable le long de la poutre d'entraînement de l'équipement de forage. Lors du forage de roche, l'impulsion de percussion est réfléchie par la roche en direction de la 25 machine de forage et la force engendrée par l'impulsion doit être absorbée d'une certaine manière dans la machine de forage. Différentes solutions concernant des paliers axiaux élastiques ont été mises au point pour absorber cette force de façon à protéger la machine de forage contre 30 des réflexions d'impulsions dynamiques analogues à des percussions. Des solutions connues concernant des paliers axiaux élastiques sont notamment les solutions décrites dans le brevet finlandais 58 816, le brevet allemand 2 738 956, le brevet suédois 440 873 et le brevet allemand 35 2 610 619. Un inconvénient de ces solutions concernant des paliers axiaux élastiques consiste, entre autres, dans leur complexité, dans le fait qu'elles nécessitent un certain nombre de joints d'étanchéité et qu'il n'est pas possible de régler l'élasticité établie, c'est-à-dire que la rigidité des paliers axiaux connus est constante. Un autre inconvénient consiste en ce que l'effet d'élasticité a une action retardée et est fonction de la force d'entraînement exercée sur la machine de forage. L'objet de l'invention est de créer un agencement du palier axial d'une machine de forage à l'aide duquel il soit possible d'éliminer les inconvénients précités rencon10 l trés dans l'art antérieur. Ce problème est résolu au moyen d'un agencement conforme à l'invention, qui est caractérisé en ce que la pression et le débit volumique du fluide sous pression alimentant le palier axial sont réglables de telle façon que la position du palier axial dans les conditions 15 normales de fonctionnement de la machine de forage soit comprise entre les positions extrêmes du palier axial. Un avantage de l'agencement conforme à l'invention consiste en ce que le palier axial peut être réglé d'une manière telle que la réaction à l'impulsion réfléchie 20 agissant sur l'embout ne soit pas retardée. Un autre avantag consiste en ce que l'élasticité du palier axial peut être établie de telle sorte que la réflexion de pression agissant sur l'embout soit empêchée de se transformer en une réflexio de traction exerçant une contrainte sur l'équipement de 25 forage, ce qui permet de réduire considérablement les contraintes exercées sur la machine de forage par comparaison à l'art antérieur. La structure conforme à l'invention est simple, du fait qu'il n'est pas nécessaire de prévoir des joints d'étanchéité, par exemple. Du fait de cette 30 simplicité de structure, les coûts de fabrication et d'entretien sont faibles par comparaison à l'art antérieur. D'autres îractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en 35 référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue latérale d'ensemble d'une machine de forage comportant un agencement de palier axial conforme à l'invention, e n la figure 2 est une vue en coupe faite selon les flèches II-II indiquées sur la figure 1, la figure 3 est une vue à échelle agrandie de l'agencement conforme à.l'invention, la figure 4 montre l'agencement de la figure 3 après que le piston de percussion a terminé une course, la figure 5 montre l'agencement des figures 3 et 4 après le déplacement des pistons, la figure 6 est une vue d'ensemble d'une machine de forage 10 comportant un agencement correspondant à une autre réalisation de l'invention, la figure 7 est une vue en coupe faite selon les flèches VII-VII indiquées sur la figure 6, et la figure 8 représente une réalisation préférée de l'agence15 ment conforme à la figure 7. Dans l'exemple de la Figure 1, un piston de percussion 1 est déplaçable à l'intérieur d'un corps 6, qui est formé d'un certain nombre de parties, d'une manière connue en soi. Un embout 2 est supporté sur le corps de 20 façon à pouvoir être déplacé en translation axiale et en rotation. Le mouvement de rotation de l'embout 2 est produit au moyen d'un moteur hydraulique séparé et d'une transmission. Le moteur hydraulique et la transmission ne sont pas représentés sur les figures. La périphérie extérieure d'un manchon de rotation 3 est pourvue d'une denture sur laquelle est monté ledit réducteur. La surface intérieure du manchon 3 est pourvue de dents d'entraînement qui sont déplaçables axialement par rapport à la denture de l'embout. La périphérie extérieure du manchon 3 est montée radialement par ses 30 deux extrémités dans le corps 6. L'embout 2 est monté dans le corps 6 à son extrémité avant, son extrémité arrière étant montée axialement dans le manchon 3 par l'intermédiaire d'un palier 8. La structure décrite ci-dessus est bien connue des spécialistes de ce domaine de sorte que d'autres détails et sa fonction ne seront pas décrits plus complètement. Un palier axial élastique est monté dans le corps 6 de façon à absorber les impulsions de percussion qui sont réfléchies de la roche vers la machine de forage, l'élasticité du palier axial étant créée par le fait qu'il est déplaçable axialement sous l'influence d'un fluide sous pression agissant sur lui. Conformément à l'invention, la pression et le débit volumique du fluide sous pression du palier axial sont réglables de telle façon que la position du palier axial dans les conditions normales de fonctionnement soit comprise entre les positions extrêmes du palier axial. Le palier axial comprend de préférence plusieurs 10 pistons 4, qui sont disposés dans le corps à intervalles uniformes dans des chambres axiales réparties circonférentiellement autour de l'embout 2 et communiquant entre elles par l'intermédiaire d'un conduit 7. Cette structure apparait d'une façon particulièrement claire sur la figure 2. 1s Comme le montre la figure 1, le conduit 7 est agencé de façon à déboucher dans les fonds des chambres en arrière des pistons montés dans les chambres. En ce qui concerne cette disposition, on a supposé que la machine de forage est observée dans la direction d'avancement. Le conduit 7 est formé par un canal annulaire 7a, des canaux 7b assurant la liaison du canal 7a avec les chambres, et un canal d'entrée 7c ainsi qu'un canal de sortie 7d. Dans l'exemple de la figure 1, un étranglement 12 est placé dans le canal de sortie 7d de façon à régler l'écoulement de 25 lubrifiant vers le raccord de l'embout. Des composants hydrauliques, qui seront décrits dans la suite, sont fixés sur le canal d'entrée 7c afin d'assurer la régulation de l'écoulement et de la pression du fluide sous pression passant dans le conduit 7 du palier axial. Le mouvement d'avancement des pistons 4 du palier axial est limité au moyen d'une bague 5 disposée dans le corps 6, la périphérie intérieure de la bague étant plus petite que la périphérie de l'enveloppe tracée autour des bords exérieurs des pistons 4. Le mouvement de chaque piston 4 vers l'arrière est limité par le fond de la chambre correspondante. Le manchonderotation 3 est monté axialement, par son extrémité avant, dans le corps 6 et par son extrémité arrière sur les faces extrêmes des pistons 4. Puisque les pistons 4 sont montés en place sans aucun joint d'étanchéité, le fluide sous pression a tendance à fuir. Il est prévu un joint d'étanchéité 9 à l'extrémité arrière de l'embout dans le corps 6 afin d'empêcher le fluide sous pression de parve5 nir dans le volume de percussion. Un joint d'étanchéité 11 empêche à son tour l'huile, agissant comme un fluide sous pression, de sortir par la partie avant du corps 6. L'expression " vers l'avant " utilisée ici se rapporte au mouvement orienté dans la direction d'avancement de la machine de forage tandis que l'expression " vers l'arrière " correspond au mouvement orienté en opposition à la direction d'avancement. La structure et la lubrification du manchon de rotation 3 et du raccord de l'embout 2 peuvent être conformes 15 à ce qui a été décrit par exemple dans le brevet finlandais 66 459. En ce qui concernant la lubrification, on peut mentionner à cet égard que de l'air parvient sur l'extrémité arrière de l'embout 2 en avant du joint d'étanchéité 9. L'écoulement de l'air est indiqué sur la figure 1 par la 20 référence IP. La fonction de l'air consiste à transporter l'huile jusqu'aux points de lubrification du palier et à compenser des variations d'écoulement ainsi qu'à empêcher une cavitation. L'air est enlevé de l'huile avant que cette huile soit filtrée et canalisée jusque dans un réservoir. 25 Le palier axial utilisé dans la réalisation de la figure 1 a étéreprésenté à échelle agrandie sur les figures 3 à 5. L'invention va être décrite dans la suite en référence à ces figures. Sur la figure 3, la plage limitée de déplacement 30 des pistons 4 du palier axial est désignée par la référence A X. L'expression "plage limitée de déplacement " utilisée ici désigne la plage axiale de déplacement dans laquelle le piston peut se mouvoir. La plage de déplacement est limitée au moyen de la bague 5 et du fond de la chambre, comme décrit ci-dessus. Sur la figure 3, le piston 4 se trouve dans une postion Y, mesurée à partir du fond de la chambre. La pression fournie au conduit 7 exerce sur les pistons 4 une force faisant en sorte que le piston 4 s'appuie contre 259-8111 le manchon de rotation3, qui s'appuie à son tour contre l'embout 2. Cette situation est mise en évidence sur la figure 3. 20 25 30 : 3: ^ Une course du piston de percussion 1 sur la tête de l'embout 2 produit un déplacement échelonné et rapide A Z de l'embout. Cela est représenté sur la figure 4. Ensuite le manchon de rotation3 est déplacé par les pistons 4 de façon à suivre rapidement le mouvement de l'embout 2,de telle sorte que le manchon de rotation soit à nouveau appliqué contre l'embout 2. Cela est illustré sur la figure 5. Après la course produite par le piston de percussion 1, une impulsion de réaction réfléchie par la roche produit un déplacement rapide et échelonné de l'embout 2 dans une direction opposée à celle mentionnée ci- dessus. Lors de l'arrivée de l'impulsion réfléchie, le manchon de rotation 3 se trouve cependant dans la position indiquée sur la figure 5 et en conséquence le mouvement axial de l'embout 2 est absorbé par les pistons élastiques 4 du palier axial. Puisque les pistons 4 et le manchon de rotation suivent les mouvements de l'embout pratiquement sans aucun retard, l'impulsion réfléchie agissant sur l'embout 2 peut être reçue par les pistons du palier axial indépendamment du retard d'application de l'impulsion réfléchie. S'il se produisait une situation dans laquelle les pistons 4 sont déplacés à partir de leur position limite avant, c'est-à-dire Y = a X, les pistons 4 ne seraient pas capables de suivre un autre déplacement de l'embout. L'embout 2 serait alors laissé sans aucun support de sorte que l'impulsion réfléchie agissant sur l'embout serait inversée vers l'arrière sous la forme d'une impulsion de traction qui solliciterait l'équipement et ses raccords. Le manchon de rotation 3 est déplacé par la force d'entraînement exercée sur la machine de forage de façon à s'accrocher sur l'embout 2. Cependant, cela s'effectue avec un grand retard pendant lequel les pistons 4 du palier axial ne sont pas capables d'amortir les impulsions réflédies agissant sur l'embout. D'autre part, il est à noter que l'élasticité est complètement empêchée quand les pistons 4 se trouvent dans leurs positions limites arrière, c'est-à-dire quand Y = 0. Sur la base des remarques faites ci-dessus, on peut conclure que les pistons doivent être disposés entre les positions limites mentionnées cidessus pendant le fonctionnement de la machine de forage de façon à obtenir le fonctionnement conforme aux figures 3 à 5, c'est-à-dire une élasticité dans toutes les conditions. En conséquence, la position du piston doit satisfaire à la relation suivante: 10 o 4 Y Cette condition implique que la pression et le débit volumique du fluide sous pression alimentant le palier axial soient ajustés de telle sorte que la position des pistons dans les conditions normales soit toujours située entre les positions extrêmes, de telle sorte que le mouvement des pitons d'amortissement 4 dans les deux directions soit possible dans toutes les conditions de fonctionnement normal. La figure 1 représente une disposition hydraulique préférée à l'aide de laquelle l'opération décrite ci-dessus 20 peut être réalisée. Le fluide hydraulique utilisé comme fluide sous pression est introduit au moyen d'une pompe 20 et par l'intermédiaire d'un canal 17 dans le canal d'entrée 7a par l'intermédiaire d'une valve antagoniste 13. Un fonctionnement désiré est obtenu par un réglage approprié 25 du niveau de pression dans le système au moyen de la valve régulatrice de pression 15. L'élasticité du palier axial peut être réglée à une valeur désirée au moyen de la valve antagoniste 13. La vitesse des pistons 4 est réglée au moyen d'un accumulateur de pression 14, qui met en pression le 30 conduit 7 par l'intermédiaire de la valve antagoniste 13. Les figures 6 à 8 représentent une autre réalisation de l'invention dans laquelle le palier axial proprement dit est semblable à celui de la réalisation de la figure 1 tandis que les liaisons hydrauliques diffèrent des liaisons 35 hydrauliques de la figure 1. Dans l'exemple des figures 6 à 8, la pression moyenne régnant dans le conduit 7 est réglée au moyen de la valve 15. La valve 15 peut à cet égard être actionnée, par exemple mécaniquement, en fonction de la position d'un piston 4. Un moyen pour réaliser une telle commande est représenté sur la figure 8. Dans la réalisation de la figure 8, la valve 5 régulatrice de passion 15 est constituée par une broche reliée mécaniquement à un des pistons 4. Ainsi le piston 4 commande directement la broche 15, qui règle à son tour la pression dans un canal A ( figure 8) relié au canal d'entrée 7c du palier axial, soit à la pression P de la 10 pompe 20 ( canal 17) soit à la pression établie par un étranglement 16 relié au réservoir ( figure 8), en fonction de la position du piston 4. Lorsque le piston 4 se rapproche de la position limite avant, la pression est réduite dans le conduit 7 et, en correspondance, quand le piston 4 1S se rapproche de la position limite arrière, la pression est augmentée dans le conduit 7. De cette façon, la position moyenne du piston reste située entre les positions limites. Les réalisations décrites ci-dessus ne sont destinées en aucune façon à limiter la portée de l'invention 20 mais l'invention peut être modifiée de différentes manières tout en restant dans le cadre des revendications. Ainsi il est évident que l'invention ou des parties de celle-ci n'ont pas besoin d'être exactement semblables à celles représentées sur les figures mais il est possible également 25 d'adopter d'autres types de solutions. Dans la réalisation de la figure 6, la valve 15 peut aussi être commandée au moyen d'un signal produit par un capteur mesurant la position moyenne d'un piston. La valve 15 peut ainsi être par exemple une valve de proportionnement électrique. Les chambres dans 30 lesquelles les pistons sont disposés peuvent être réalisées de toute manière appropriée, par exemple par alésage de cylindres de dimensions appropriées dans le corps. En correspondance, les pistons peuvent être constitués par des broches cylindriques rectilignes, etc. Même le palier 35 axial n'a pas besoin d'être obligatoirement formé par des pistons conformément aux figures mais il est possible d'adopter d'autres types de solutions, par exemple un palier formé par un corps cylindrique de faible hauteur, etc. Le système hydraulique utilisé pour le réglage du palier axial peut être branché en série avec le système de lubrification de l'accouplement de l'embout, comme le montrent les figures, mais cela ne constitue pas la seule possibilité puisqu'il est également possible que le système de réglaqe du palier axial et le système de lubrification du raccord de l'embout constituent des systèmes indépendants et séparés, si cela est considéré comme nécessaire. s15 25 30 35 REVENDICATIONS 1. Agencement pour le palier axial d'une machine de forage qui comprend un corps (6), un dispositif de percussion (1) monté dans le corps, un manchon de rotation (3) qui fonctionne comme un moyen de rotation pour un embout (2) disposé sur un prolongement axial du dispositif de percussion, et un palier axial monté dans le corps de façon à absorber les forces axiales exercées sur le corps (6) par l'intermédiaire de l'embout (2), ledit palier axial étant déplaçable axialement sous l'influence d'un fluide sous pression agissant sur lui de façon à obtenir une élasticité, caractérisé en ce que la pression et le débit vdumique du fluide sous pression fourni au palier axial sont réglables de telle façon que la position Y du palier axial dans les conditions de fonctionnement normal de la machine de forage soit située entre les positions extrêmes (O, à X) du palier axial. 2. Agencement conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le palier axial est formé par une pluralité de pistons (4) qui sont montés dans des chambres axiales disposées à l'intérieur du corps (6) en étant réparties circonférentiellement autour de l'embout (2) et en communiquant l'une avec l'autre par l'intermédiaire d'un conduit (7). 3. Agencement selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la pression du fluide introduit dans le conduit (7) est réglable à un niveau désiré au moyen d'une valve de régulation de pression (15) disposée sur le côté de décharge de la pompe (20) débitant du fluide sous pression, en ce que le fluide sous pression est introduit dans le conduit (7) par l'intermédiaire d'une valve antagoniste (13), en ce que l'élasticité du palier axial est réglable au moyen de la valve antagoniste (13) et en ce que la mise en pression du fluide pour produire un mouvement rapide des pistons (4) est effectuée au moyen d'un accumulateur de pression (14) relié au conduit (7) par l'intermédiaire de la valve antagoniste (13). 4. Agencement selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le réglage de pression dans le conduit (7) est effectué par ajustement de la pression moyenne dans le conduit au moyen d'une valve régulatrice de pression (15) placée sur le côté de décharge de la pompe débitant le fluide sous pression. 5. Agencement selon la revendication 4, caractérisé en ce que le réglage de la valve régulatrice de pression (15) est effectué en fonction de la position d'un des pistons 10 (4). 6. Agencement selon la revendication 5, caractérisé en ce que la valve régulatrice de pression (15) est formée par une broche accouplée mécaniquement au piston (4) et agencée pour assurer la régulation de la pression du fluide 15 introduit dans le conduit (7) entre la pression de la pompe (20) et la pression d'un raccord d'étranglement (16) de liaison au réservoir, en fonction de la position du piston (4). 7. Agencement selon la revendication 4, caractérisé en ce que la valve régulatrice de pression (15) est une valve de proportionnement électrique qui est réglable au moyen d'un signal fourni par un capteur de mesure effectuant la mesure de la position moyenne du piston (4). 8. Agencement selon une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que le système à fluide sous pression réglant la position du palier axial est relié en série avec le système de lubrification du raccord de l'embout (2) par l'intermédiaire d'un étranglement (12). 9. Agencement selon une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les faces extrêmes des pistons (4) fonctionnent comme des surfaces d'appui pour le manchon de rotation. 10. Agencement selon une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les pistons (4) sont formés 35 d'un matériau résistant à l'usure, comme un métal dur, de la stellite, etc.