Brevet FR2597149A1 — publié le 19871016

i L'invention concerne un procédé de forage du sol ainsi qu'une foreuse activée pour réaliser des forages ou sondages dans le sol pour la mise en oeuvre du procédé. Une foreuse activée selon l'invention comprend une tige de forage, un trépan qui est fixé sur la tige, le trépan comprenant un dispositif d'entraînement doté de deux arbres de transmission opposés qui sont disposés sensiblement transversalement par rapport à 10 l'axe de la tige de forage, des moyens pour entraîner les arbres et une couronne de comminution des roches qui est montée de manière excentrée sur chacun des arbres de transmission. De préférence, les couronnes de comminution des roches ont sensiblement la même masse 15 et sont disposées de manière excentrée sur les arbres de transmission, déphasées de 180' l'une par rapport à l'autre, de façon que le trépan soit équilibré lors de son utilisation. Dans un mode de réalisation de l'invention, les 20 arbres de transmission du dispositif d'entraînement sont - alignés axialement l'un avec l'autre et normalement par rapport à l'axe de la tige de forage. Selon un autre mode de réalisation, l'axe des arbres de transmission sont inclinés chacun vers le bas 25 par rapport à l'axe de la tige de forage de sorte que les. couronnes de comminution des roches, qui sont montées sur ceux-ci, convergent l'une vers l'autre et vers l'extrémité avant du trépan. Toujours conforme & l'invention, l'ensemble des arbres de transmission est constitué d'un train d'engrenages qui est commandé depuis la surface par l'intermédiaire d'une tige de forage. TouJours conformément à l'invention, les moyens 10 d'entraînement sont constitués par un moteur qui est disposé dans le trépan pour entraîner les arbres de transmission et qui comprend des moyens traversant la À tige de forage pour alimenter le moteur en courant. Selon un mode de réalisation préféré de 15 l'invention, le trépan présente une forme sphéroïdale, chacune des couronnes de comminution des roches étant constituée d'un corps sensiblement hémisphérique qui porte sur sa surface extérieure des pièces rapportées en métal dur, des picots, des lames ou autres ensembles 20 du comminution ou de coupe des roches. Pour chasser les morceaux de roche et de terre du trou au cours de forage par le trépan, la tige de forage porte une conduite par laquelle du liquide de lavage peut être amené au niveau du trépan et évacué de 25 celui-ci lors de son utilisation. Un procédé de forage du sol, conforme à l'invention comprend les étapes qui consistent à établir une rotation d'un trépan fixé sur l'extrémité d'une tige de forage autour de l'axe de la tige de 30 forage et à provoquer la rotation d'un poids excentrique par des moyens situés dans le trépan pour communiquer une action de marteau au trépan dirigée suivant sa direction de forage. On va décrire l'invention maintenant uniquement à 35emple en référence aux dessins dans lesquels: titre d'exemple en référence aux dessins dans lesquels: la Figure 1 est une vue d'extrémité en élévation de l'extrémité inférieure d'un mode de réalisation d'une foreuse de l'invention dans un trou; la Figure 2 est une vue d'extrémité en coupe d'une moitie de la foreuse de la Figure 1; la Figure 3 est une vue latérale en élévation du dispositif d'entraînement de la foreuse montré en coupe selon la ligne 33 de la Figure 2;la Figure 4 est une vue partielle schématique 10 d'une variante de réalisation du dispositif d'entraînement de la foreuse de la Figure 1; la Figure 5 est une vue d'extrémité en élévation d'un second mode de réalisation, du trépan conforme à l'invention; et la Figure 6 est une vue partielle schématique d'extrémité en élévation d'une moitié du trépan de la Figure 5. La foreuse représentée sur la Figure 1 comprend une tige de forage 10 et un trépan activé 12. 20 Le trépan 12 présente une forme sphéroïdale et comprend un disque 14 fixé par son extrémité supérieure sur la tige de forage 10 et deux couronnes sensiblement hémisphériques de comminution des roches 16 et 18 qui portent, sur leur surface extérieure en forme de dôme, des pièces rapportées en métal dur 19 pour couper les roches. Les côtés inférieurs du disque 14 comportent une tige de guidage 20 qui dépasse vers l'avant le trépan 12 et qui est déstine, lors de son utilisation, d'être situé, dans un trou pilote préforé 22 pour 30 guider la direction de forage du trépan 12 Les couronnes de comminution des roches 16 et 18 sont entraînées en rotation par un dispositif d'entraînement disposé dans le trépan. Le dispositif 35 d'entraînement comprend un arbre de transmission 26 pour chacune des couronnes, les arbres de transmission, dans ce mode de réalisation de l'invention, sont alignés axialement sur l'axe A qui est normal à l'axe de la tige de forage 10. Les couronnes de comminution sont, toutefois, montées de manière excentrée sur les arbres de transmission pour tourner autour des arbres. Les axes excentrés B des couronnes sont décalés de la même distance de part et d'autre de l'axe A des arbres de transmission pour que le trépan soit équilibré lors de la rotation des couronnes 16 et.18, Les Figures 2 et 3 montrent -. un dispositif 10 d'entraînement de couronne dans lequel les arbres de transmission 26 sont entraînés par un moteur électrique 28 qui est situé dans le trépan et est solidaire du disque 14' du trépan. Le moteur est commandé par l'intermédiaire d'un cable électrique relié entre la s15 surface et le trépan et traversant la tige de forage 10. Le dispositif d'entraînement comprend un manchon excentrique 30 qui est rendu solidaire par clavetage de l'arbre d'entraînement 26 du moteur. La clavette n'est. 20 représentée que sur la Figure 3. Le dispositif d'entraînement de la couronne 18 est le même que pour la couronne 16 à la différence que le manchon 30 de la couronne 18 est calé sur son arbre 26 avec un déphasage de 180 par rapport à celui de la couronne représentée 25 16. Le dispositif d'entraînement comprend en outre une couronne dentée 32 qui est fixée sur le boîtier du moteur 28 concentriquement par rapport à l'axe de l'arbre de transmission 26, un pignon de plus petit diamètre 34 qui est solidaire de la couronne de 30 comminution 16 et qui est apte à tourner concentriquement autour du manchon excentrique 30 et son axe excentré B par l'intermédiaire d'un roulement à rouleaux 36, dont on ne voit que quatre sur le dessin. Grâce à l'excentricité du manchon 30 et du pignon 34 35 par rapport à l'axe de l'arbre 26 et à la couronne dentée 32, le pignon, à dessein, n'est que partiellement en prise avec la couronne dentée 32, comme il ressort clairement de la Figure 3. Il est évident que la course du manchon excentrique 30 doit être accordée à la différence de diamètre de la couronne dentée et du pignon pour les maintenir, dans la zone de mise en prise, en contact positif lors de la rotation de l'arbre 26. Lorsque l'arbre 26 est entraîné en rotation dans le sens horaire par le moteur 28, la zone de mise en 10 prise des deux roues dentées est entraînée en rotation avec l'arbre dans le sens des aiguilles d'une montre par la préssion radiale du manchon excentrique et la couronne de comminution 16 ne fera que vaciller de manière excentrique autour de l'axe d'entrainement A 15 jusqu'à ce qu'une charge de freinage soit imposée à la couronne 16 par la mise en prise des pièces rapportées 19 de la couronne avec le sol à forer. Du fait du freinage des couronnes de comminution du trépan contre le matériau devant être foré, les couronnes de 20 comminution 16 et 18 sont entraînées en rotation, comme l'indiquent les flèches sur la Figure 3, dans le sens opposé à celui des arbres 26 par les forces de réaction agissant sur les dents dans la zone de mise en prise des roues dentées 32 et 34. Il est évident que les 25 couronnes de comminution 16 et 18, qui sont portées par les pignons 34, tourneront à une vitesse sensiblement inférieure à celle des arbres de transmission 26. La vitesse de rotation des couronnes peut être variée en faisant varier les rapports des roues dentées 32 et 34. 30 En fonctionnement, en utilisant par exemple une course de 3mm de l'excentrique, une vitesse de rotation de l'arbre de 4000 tours par minute et des rapports d'engrenage appropriés des roues dentées, les couronnes de comminution tourneront avec une vitesse de coupe ou 35 de comminution de 200 tours par minute, les deux excentriques réalisant 8000 coups de marteau par minute. L'action de marteau et de coupe est encore améliorée en entraînant en rotation la tige de forage et par conséquent le trépan 12 depuis la surface. Les coups de marteau du trépan peuvent être amplifiés en augmentant la course excentrique des dispositifs d'entraînement ou par application sur la tige de forage 20 d'impulsions de coups de marteau synchronisés. Le dispositif d'entraînement par moteur des 10 Figures 2 et 3 peut être remplacé par un entraînement externe tel que celui représenté sur la Figure 4. Dans le dispositif représenté sur la Figure 4, les arbres de transmission 26 sont entraînés par l'intermédiaire d'un 15 train d'engrenages 40 qui est maintenu dans le trépan par le disque 14. Le train d'engrenages comprend trois engrenages coniques 42, 44 et 46, dont les rapports d'engrenage sont sélectionnés pour assurer la vitesse de rotation optimale des arbres 26. L'engrenage 42 est 20 solidaire d'un arbre entraîné en rotation depuis la surface qui lui est relié par la tige de forage 10. Comme pour tous les autres modes de réalisation de la présente invention, il faut prévoir en fonctionnement un liquide approprié qui est pompé à travers la tige de forage jusqu'au niveau du trépan 25 pour chasser la terre et les morceaux de roche du trou en cours de forage. Comme on le voit sur les modes de réalisation des Figures 1 à 4, le liquide de lavage passe de la tige de forage ou d'une conduite de liquide 30 séparée qu'elle contient par des trous appropriés (non représentés) percés dans le disque 14 pour sortir par des orifices situés à proximité de la base du disque. Le mode de réalisation représenté sur les Figures et 6 diffère de celui de la Figure 1 essentiellement du fait que les axes des arbres de transmission des couronnes de comminution des roches sont inclinés vers le bas par rapport à l'axe de la tige de forage. Le disque 14 présente de préférence une forme en coin de sorte que les couronnes de comminution des roches 16 et 18 soient maintenues en convergence l'une vers l'autre à l'extrémité avant du trépan. Le dispositif d'entraînement du mode de réalisation de la foreuse représenté sur la Figure 5 est illustré sur la Figure 6, o on voit qu'il comprend un moteur électrique 48 comprenant un arbre d'entraînement primaire 58, un arbre d'entraînement 10 secondaire 52, une articulation à la cardan 54 entre les deux arbres une cage 56 qui est solidaire du moteur pour maintenir l'arbre, 52 en rotation selon son angle incliné grâce à des roulements appropriés 58, et un pignon 60 qui est solidaire de la cage 56. Un manchon 15 excentrique 62 est claveté sur l'arbre 52 et porte un carter 64 solidiare de la couronne de comminution de roches 16 et qui est apte à tourner grâce à des roulements prévus sur le manchon 62. Le carter 64 porte une couronne dentée 66 qui, comme dans le mode de 20 réalisation précédent, est en prise partielle avec le pignon fixe 60. Dans le système représenté sur la Figure 6, toutefois, l'engrenage excentrique est constitué par la couronne dentée 66 et l'engrenage fixe est constitué 25 par le pignon 60 qui est, lui, concentrique par rapport. à l'arbre de transmission 52, ce qui revient à dire que la couronne de comminution des roches tournera dans le même sens que l'arbre de transmission 52. Le dispositif d'entraînement de la couronne 18 de ce mode de 30 réalisation comprend, à la différence du mode de réalisation des Figures 1 et 2 o les deux dispositifs d'entraînement provoquent la rotation des couronnes de comminution dans le même sens à l'opposé du sens d'entraînement de l'arbre de transmission, un 35 dispositif d'entraînement qui provoque la rotation de la couronne de comminution 18 dans un sens opposé à 2597 1 49 celui de la couronne 16. Pour obtenir cette rotation antagoniste, le dispositif d'entraînement de la couronne de comminution 18 est le même, à l'exception des arbres de transmission primaire et secondaire et de la cage 56, que celui des Figures 2 et 3 o la couronne dentée est solidaire de la cage 56 et le pignon tourne avec la couronne de comminution des roches 18 pour que la couronne 18 tourne dans le sens opposé à celui de son arbre de transmission 52, par oppdsition au même 10 sens de rotation de la couronne 16 sur son arbre. Les sens opposés de rotation des couronnes de comminution des roches 16 et 18 feront que le trépan tourne autour d'un axe de la tige de forage sans application d'une force externe sur la tige de forage 15 20, ce qui revient à dire, conjointement avec le fait qu'il n'existe aucun espace entre les couronnes de comminution convergentes sur la ligne de coupe de la foreuse, que le trépan assure le forage lui-même et qu'il n'a pas besoin d'un trou pilote. Dans ce mode de 20 réalisation, une action de forage optimale est obtenue en freinant la tige de forage 10 dans sa rotation pendant la progression du forage. Pour les deux modes de réalisation décrits de la foreuse de l'invention, des joints étanches appropriés, 25 non représentés, seraient disposés entre les disques 14 et les couronnes de comminution des trépans pour éviter la pénétration de terre et de morceaux de pierres dans les couronnes et la détérioration éventuelle des dispositifs d'entraînement des trépans. L'invention n'est pas limitée aux détails précis décrits ci-dessus. Par exemple, pour optimiser les vitesses de coups de marteau et de coupe du trépan pour les adapter à des matériaux de duretés différentes, on peut faire varier la course des excentriques et les 35 rapports des engrenages d'entraînement afin d'obtenir la force de coup de marteau et la vitesse de coupe desirées. En outre, les excentriques en rotation rapide et/ou les couronnes de comminution des roches qui tournent relativement lentement peuvent être dotés de poids supplémentaires de régulation ou d'équilibre afin d'augmenter la force de mouvement antagoniste ou de coup de marteau du trépan. REVENDICATIONS 1. Foreuse activée comprenant une tige de forage (10), un trépan (12) qui est fixé sur la tige, caractérisée en ce que le trépan (12) comprend un dispositif d'entraînement comportant deux arbres de transmission opposés (26) qui sont disposés sensiblement transversalement par rapport à l'axe de la tige de forage (10), des moyens (28, 40) pour entraîner les arbres (26) en rotation et une couronne de comminution des roches (16,18) montée de manière excentrique sur chacun des arbres de transmission (26). 2. Foreuse selon la revendication 1, caractérisée en ce que les couronnes de comminution des 15 roches (16,18) ont sensiblement la même masse et sont disposés de manière excentrique sur les arbres de transmission (26) de façon à être déphasées de 180' l'une par rapport a l'autre pour que le trépan (112) soit équilibré lors de son utilisation. 20 23. Foreuse selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les arbres de transmission (26) du dispositif d'entraînement sont alignés axialement avec leur axe disposé normalement par rapport à l'axe de la tige de 25 forage (10). 4. Foreuse selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les axes des arbres de transmission (26) sont inclinés chacun vers le bas pour que les couronnes de comminution des 30 roches (16,18) qui sont montées sur eux convergent l'une vers l'autre et ver sl'extrémité avant du trépan (12). 5. Foreuse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens d'entraînement des arbres est constitué par un moyens d'entraînement des arbres est constitué par un Ii train d'engrenages (40) qui est entraîné depuis la surface par l'intermédiaire de la tige de forage (10). 6. Foreuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les moyens 5 d'entraînement sont constitués par un moteur (28) qui est disposé dans le trépan (12) et comprennent des moyens traversant la tige de forage (10) pour l'alimentation en énergie du moteur. 7. Foreuse selon la revendication 6, caractérisée en ce que les couronnes de comminution des roches (16,18) sont raccordées aux arbres de transmission (26) par des engrenages (32,34 et 60, 66) qui réduisent la vitesse de rotation des couronnes de comminution (16,18) par rapport à leurs arbres de 15 transmission (26). 8. Foreuse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le trépan (12) présente une forme sphéroïdale, chacune des couronnes de comminution des roches (16,18) étant 20 constituée par un corps sensiblement hémisphérique qui porte sur sa surface extérieure des ensembles de comminution des roches (19) en métal dur. 9. Trépan selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les 25 couronnes de comminution des roches (16,18) sont entraînées en rotation par le dispositif d'entraînement en sens opposés. 10. Trépan selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la 30 tige de forage (10) porte une conduite à travers laquelle du liquide de lavage peut être amené jusqu'au trépan lors de son fonctionnement. - 11. Procédé de forage comprenant les étapes qui consistent à faire en sorte qu'un trépan (12) fixé à l'extrémité d'une tige de forage (10) soit entraîné en rotation autour de l'axe de la tige de forage (10) et 2597 1 49 12 qu'un poids excentrique (16, 18) soit entraîné en rotation par des moyens situés dans le trépan pour communiquer au trépan (12) une action de marteau dirigée dans son sens de forage.