Brevet FR2611239A1 — publié le 19880826

La présente invention concerne le génie minier et a notamment pour objet un élément moteur utilisé pour démolir des roches. - La présente invention peut être utilisée pour l'arrachement de gros monolithes de pierre naturelle suivant une ligne de jalonnage des trous et pour leur division ultérieure en blocs, pour le creusement de: -gale- ries de mine dans des roches sans faire appel aux explosifs, pour la démolition des fondations de vieux bâtiments ainsi que d'autres bases solides. L'élément moteur peut être utilisé dans des puits pour le ramollissement d'un toit difficile à écrouler en cas d'exploitation des gisements en couche, pour le dégazage forcé des couches houillères, pour la rupture des couches pétrolifères et gazéifères ainsi que pour l'étude de l'état tensio-déformé d'un massif des roches dans les conditions naturelles. La présente invention peut être utilisée dans l'industrie pour le travail des métaux en tant que commande motrice puissante de petit encombrement des organes exécu- tifs des presses, des vérins, des cisailles à guillotine ainsi que d'autres dispositifs dans lesquels il faut développer des efforts importants orientés. On connaît également un élément moteur (voir certi- ficat d'auteur U.R.S.S. N 420779, 1974) comportant un corps à l'intérieur duquel est disposée, suivant son axe longitu- dinal et sur toute sa longueur, une chambre tubulaire élastique, et des dispositifs d'étanchéité, montés sur les faces en bout de ladite chambre élastique. Le corps de cet élément est constitué de deux parties. L'une d'elles est immobile par rapport à l'axe de l'élément tandis que l'autre constitue un poinçon métallique mobile. A l'éléva- tion de la pression dans le système hydraulique, le fluide moteur remplit la cavité intérieure de la chambre élastique et provoque l'expansion de celle-ci. Du fait que le volume occupé par la chambre est limité par les parties du corps, le poinçon avance et exerce un effort sur un objet. Cet élément moteur crée un effort dans une direction imposée, effort proportionnel à l'aire de la surface du poinçon entrant en contact avec la chambre élastique. Il s'ensuit que le rendement de l'élément moteur de la construction décrite est médiocre. Par rendement, on entend le rapport entre l'effort développé par l'élément moteur dans une direction imposée et l'effort développé par la chambre élastique. La composante latérale de l'effort résultant de la pression de fluide moteur développée par la chambre élastique, dont le vecteur est perpendiculaire au vecteur de l'effort développé par l'élément moteur dans la direction imposée, n'est pas utilisée pour la création de l'effort dans la la direction imposée. Elle provoque la déformation de la partie immobile du corps en y engendrant des déformations plastiques qui diminuent la fiabilité du fonctionnement de l'élément moteur. A l'augmentation de la pression du fluide moteur dans la chambre élastique, la valeur de la composante latérale croît aussi. L'augmentation de la composante aboutit à la formation de jeux entre le poinçon et la partie fixe du corps dans lesquels"file" le matériau de la chambre élastique. En conséquence, elle se rompt et perd son élasticité. Les tentatives visant à élever la rigidité du corps ont conduit à l'augmentation de la quantité de métal nécessaire à sa fabrication, soit à une complication considérable de la technologie de fabri- cation de tout l'ensemble de l'élément moteur. Les tentatives visant à augmenter le rendement de l'élément moteur ont abouti à la création de la construc- tion décrite dans le certificat d'auteur U.R.S.S. N 1033819, 1982. L'élément moteur connu comporte un corps composite pouvant être assemblé suivant son axe longitudinal, à l'intérieur duquel est montée coaxialement une chambre tubulaire élastique et deux pièces intercalaires d'écarte- ment, disposées, chacune, du côté de la ligne d'assemblage du corps. Dans le plan perpendiculaire à l'axe du corps, 261 1239 chaque pièce intercalaire a une section trapézoidale,- dont la grande base s'appuie sur la chambre élastique et les côtés latéraux s'appuient sur la paroi intérieure du corps. En outre l'élément moteur comporte deux cages, dans chacune desquelles est-montée une tubulure, destinée à amener le fluide moteur dans la cavité de la chambre élastique. Chaque extrémité de la chambre él&stique est disposée entre la tubulure et la cage. Un noyau tubulaire perforé est disposé dans la cavité de la chambre élastique le long de son axe longitudinal. Chaque extrémité dudit noyau a la forme d'un raccord. Chacune des cages est constituée d'une douille taraudée en prise avec le filetage du raccord. Les cages sont accouplées rigidement l'une avec l'autre par le noyau tubulaire. Les cages mentionnées sont destinées à étanchéifier les extrémités de la chambre élastique. Lorsqu'un fluide moteur est refoulé sous pression dans l'enceinte intérieure de la chambre élastique, les parties du corps sont écartées tant par la chambre élasti- que que par les pièces intercalaires d'écartement. L'élément moteur connu n'a pas trouvé d'emploi à une large échelle pour l'arrachement de monolithes de pièces naturelles d'un massif, par exemple du granit,par suite de l'effort limité développé par la chambre élastique, par exemple de l'ordre de 10 MPa, c'est pourquoi l'élément moteur ne peut développer un effort requis dans une direction prescrite, c'est-à- dire, dans la direction perpendiculaire au plan du clivage. Cet inconvénient est dû à ce que des efforts axiaux notables engendrés dans le noyau tubulaire le tirent. En conséquence, un jeu se forme entre la face en bout du corps et la face en bout de chaque cage, face opposée à a chambre élastique. Le matériau de la chambre élastique "file" à travers ce jeu puis, la chambre se déchire. En outre l'allongement du noyau affaiblit l'étanchéité des faces en bout de la chambre élastique, ce qui aboutit aux fuites du fluide moteur. Il est possible de réduire l'allongement du noyau par l'augmientation de la surface de la section transver- sale. Cependant, cette mesure conduit à une augmentation notable des cotes d'encombrement et de la quantité de métal nécessaire à la fabrication de l'élément moteur ou bien,si l'on a gardé les mêmes cotes d'encombrement des parties mobiles du corps, il faut diminuer la course active des parties mobiles du corps et accroître la pression unitaire à l'endroit o les surfaces latérales des pièces intercalaires viennent en contact avec la surface intérieure du corps, ce qui est indésirable car on devra utiliser des matériaux et des graisses spéciaux. Il convient de noter que la forme trapézoïdale des pièces intercalaires n'est pas optimale du fait que, par suite d'un serrage irrégulier des parties mobiles du corps contre la surface d'un trou ou d'un puits, un jeu se forme entre la surface latérale de chaque pièce inter- calaire et la surface intérieure du corps, dans lequel se dirige le matériau de la chambre élastique. On s'est donc proposé de créer un élément moteur fiable en service, la conception constructive de ses cages permettant au corps d'encaisser les efforts de traction engendrés dans la chambre élastique et d'augmenter ainsi notablement l'effort transmis du fluide moteur à l'objet à travailler, l'encombrement et la quantité de métal nécessaire à la fabrication de l'élément moteur étant réduits. Le problème ainsi posé est résolu à l'aide d'un élément moteur comportant un corps composite assemblable suivant son axe longitudinal, à l'intérieur duquel est montée coaxialement une chambre tubulaire élastique, deux pièces intercalaires d'écartement, disposées, chacune, d'un côté de la ligne d'assemblage du corps et réalisées, dans le plan perpendiculaire à l'axe du corps, selon une section trapézoïdale, dont la grande section s'appuie sur la chambre élastique et les côtés flancaux s'appuient sur la paroi intérieure du corps, deux cages, recevant, chacune, un raccord destiné à amener un fluide moteur dans la cavité de la chambre élastique, chacune des extrémités de la chambre tubulaire élastique étant disposée entre le raccord et la cage, caractérisé en ce que chaque cage est munie d'une bride, logée dans un alésage circulaire, pratiqué sur la surface intérieure du corps et abritant un élément élastique embrassant la chambre tubulaire élastique et en ce que les raccords sont montés dans les cages de manière à pouvoir effectuer un déplacement longitudinal. Ce mode de réalisation de l'élément moteur assure l'extension du domaine d'utilisation, par exemple, il peut être utilisé pour arracher, d'un massif, de gros monolithes de pierre naturelle d'une résistance élevée, sans explosif, pour la rupture des puits dans des massifs rocheux en vue d'évaluer l'état de tension de l'écorce terrestre ou de prévenir un coup de roche etc. Cela est obtenu en augmentant l'effort maximal développé orienté, grâce à ce que l'effort axial constitué par la composante longitudi- nale de la pression du fluide moteur dans la chambre élastique est encaissé par le corps de l'élément moteur, ce qui est rendu possible en disposant chacune des brides des cages dans un alésage circulaire pratiqué sur la paroi intérieure de chacune des parties du corps composite. Maintenant, le corps de l'élément moteur peut encaisser des efforts axiaux notables car l'aire de sa section transversale est sensiblement supérieure à l'aire de la section transversale du noyau de l'élément décrit dans le certificat d'auteur U.R.S.S. NI 1033819. On élève ainsi la rigidité de l'élément moteur dans la direction longitu- dinale en supprimant le noyau tubulaire. Cette dernière mesure a permis de réduire la quantité de métal consommé pour la fabrication et de simplifier la technologie de fabrication de l'élément moteur. Du fait qu'au cours de fonctionnement de l'élément moteur, les parties assembla- bles du corps encaissent des efforts axiaux notables, on crée de la sorte une construction précontrainte de l'élément moteur. On supprime, ainsi, la présence de déformations plastiques dans le corps et on élève la rigidité longitudinale de l'élément moteur. En élevant la rigidité longitudinale de l'élément moteur, on élève la fiabilité de son fonctionnement, malgré une augmenta- tion notable de la pression de fluide moteur dans la chambre élastique du fait que les jeux microscopiques formés entre le corps et les brides des cages sous l'action de hautes pressions se trouvent diminués. En outre, ces jeux microscopiques sont compensés par l'élargissement des éléments élastiques qui entourent la chambre tubulaire élastique et dont chacun est logé dans l'alésage circulaire pratiqué sur la surface intérieure du corps. Chacun des éléments élastiques vient en conatct avec la face en bout de la cage, la surface de l'alésage circulaire et la face en bout de la pièce intercalaire d'écartement. On supprime ainsi le "filage" du matériau de la chambre élastique dans les jeux et on élève, par conséquent, la fiabilité du fonctionnement de l'élément moteur aux hautes pressions de fluide moteur dans la chambre élastique,supérieures à 100 MPa. Il est avantageux de prévoir, dans l'élément moteur, deux douilles, rendues solidaires, chacune, de la cage et ayant, chacune, un canal cylindrique central pour le montage d'un raccord, associé à la surface conique, dont la génératrice est inclinée à un angle par rapport à l'axe de la douille correspondant à l'angle d'inclinaison de la génératrice de la surface conique de la tête du raccord et la génératrice de la surface conique réalisée dans la cage est inclinée à un angle, par rapport à l'axe longitudinal de la cage, qui correspond à l'angle d'inclinaison de la génératrice de l'autre surface conique de la tête du raccord, les surfaces coniques de la douille et de la cage étant orientées l'une vers l'autre par leurs grandes bases. Après l'assemblage de l'élément moteur, les extrémités de la chambre élastique se trouvent serrées entre les surfaces coniques correspondantes. Lorsqu'on refoule le fluide moteur sous pression à travers le raccord dans la cavité intérieure de la chambre élastique, les extrémités de celle-ci s'étanchéifient d'elles-mêmes supplémentairement du fait que le raccord a la possibilité d'effectuer un déplacement longitudinal dans les limites de l'élasticité du matériau de la chambre élastique. Il convient de noter que plus la pression dans la cavité intérieure de la chambre est élevée, plus le serrage des extrémités entre la surface conique de la tête du raccord et la surface conique correspondante dans la cavité intérieure de la cage est fort. Ceci permet d'éviter la désétanchéification de la cavité de la chambre aux hautes pressions de l'ordre de 100 MPa et, par conséquent, d'augmenter l'effort développé par l'élément. On élève ainsi la fiabilité de l'étanchéification des extrémités de la chambre élastique grâce au serrage de celles-ci sur la surface conique de la tête du raccord avec un effort proportionnel à l'augmentation de la pression de fluide moteur dans la chambre élastique. Il est désirable que chacun des éléments élastiques soit exécuté sous forme d'un anneau de forme conique, soit monté dans un évidement conique, ménagé dans la partie en bout de la bride de la cage, et s'appuie par sa base contre la rondelle montée dans l'évidement circulaire. En réalisant les éléments élastiques sous forme d'anneaux de forme conique, on utilise l'effet de coin pour transmettre des efforts à la rondelle qui masque, pendant le fonctionnement de l'élément moteur, le jeu microscopique annulaire entre la bride de la cage et les parties mobiles de la construction. Cet effet est obtenu grâce à ce que les anneaux coniques ont la possibilité de s'élargir radialement et s'appuient par leurs bases sur les rondelles mobiles axialement, fabriquées, par exemple, en un métal. Avec l'élargissement de la chambre tubulaire élastique, se produit un certain élargissement radial des anneaux coniques qui serrent, par leurs bases, les rondelles contre les parties assemblables du corps et 261 1239 les pièces intercalaires d'écartement en compensant les jeux microscopiques annulaires se formant à de hautes pressions et en prévenant ainsi le "filage" du matériau de la chambre élastique dans ceux- ci. On élève ainsi, en une grande mesure, la fiabilité de l'élément moteur. L'élément moteur réalisé selon la présente invention a trouvé un emploi à une grande échelle dans différentes branches de l'industrie, par exemple dans le génie minier et le génie civil, en particulier: - pour l'exploitation des carrières de pierre naturelle par arrachement, suivant une ligne de trous, des gros monolithes du massif et pour leur division ultérieure en blocs; - pour le creusement sans explosif des galeries de mine (des tunnels, galeries au jour etc.) dans des roches quand les opérations de creusement avec explosifs sont interdites; - pour la démolition des fondations solides de bâtiments et des fondations de vieux bâtiments; - pour la finition des pentes en cas de construc- tion de routes, d'aménagements hydrauliques ainsi que d'autres ouvrages en conditions de relief montagneux; - pour le ramollissement d'un toit de roche difficile à écrouler; - pour le dégazage forcé des couches houillères et pour la prévention des éruptions instantanées par déchargement forcé des couches; - pour le rupture des couches dans des puits de pétrole et de gaz; - pour l'étude des propriétés relatives à la déformation et à la résistance et de l'état de contrainte d'un massif de roche de n'importe quelle résistance dans des puits à une profondeur prescrite. Dans les constructions mécaniques et dans le travail des métaux, on utilise l'élément moteur selon l'invention, en tant que commande universelle d'action orientée en profitant de sa construction ramassée, de sa forte puissance et de sa fiabilité élevée. Il est utilisé, en particulier, pour: - des presses puissantes et des outils de matriçage (tant pour la déformation unilatérale que pour la déformation de volume) avec un effort total allant jusqu'à 100.000 tonnes et davantage; - des vérins pui-ssants dans les cas o l'on a besoin d'effectuer une grande course active; - des cisailles de guillotine pour la coupe des tôles d'acier, des câbles, des chaînes et d'autres matériaux. Il parait avantageux d'appliquer l'élément moteur, conforme à l'invention, dans des organes d'exécution des robots industriels. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaitront mieux à la lumière de la description qui va suivre d'un mode de réalisation donné uniquement à titre d'exemple non limita- tif avec référence aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels: - la figure 1 représente d'une manière schématique un élément moteur, selon l'invention, avec une coupe longitudinale partielle; et - la figure 2 est une coupe suivant la ligne II-II sur la figure 1, tournée de 90 . L'élément moteur, selon l'invention, destiné, par exemple, à l'exploitation des carrières de pierre naturelle par arrachement de gros monolithes d'un massif de pierre, suivant une ligne de trous, et à la division ultérieure en blocs, comporte un corps 1 (figure 1), de forme composite, assemblable suivant son axe longitudinal, dans lequel est disposée coaxialement une chambre tubulaire élastique 2. Les extrémités de la chambre sont emmanchées sur des raccords 3. Chacune des extrémités de la chambre 2 est fixée dans une cage 4, munie d'une bride 5 et d'une douille 6. Cette dernière a un canal cylindrique pour le montage d'un raccord 3 conjugué avec une surface conique dont la génératrice est inclinée par rapport à l'axe longitudinal de la douille 6 selon l'angle d'inclinaison de la génératrice de la surface conique de la tête du raccord 3 tandis que la génératrice de la surface conique pratiquéedans la cage 5 est inclinée à un angle, par rapport à l'axe de la cage 4, correspondant à l'angle d'inclinaison de la génératrice de l'autre surface conique de la tête du raccord 3. Dans ce cas, les surfaces coniques de la douille 6 et de la cage 4 sont orientées l'une vers l'autre par leurs grandes bases. Les extrémités de la chambre tubulaire élastique 2 sont serrées entre les surfaces de la tête du raccord 3 et de la douille 6 à l'aide d'un écrou 7 et d'une rondelle 8. Des pièces intercalaires d'écartement 9 (figure 2) sont disposées du côté de la ligne d'assemblage du corps 1. La section, dans le plan perpendiculaire à l'axe du corps de chaque pièce intercalaire 9 est trapézoïdale. Les pièces intercalaires 9 s'appuient sur la chambre tubulaire élastique 2 par l'intermédiaire des joints 10 en matériau élastique. Des évidements coniques sont pratiqués dans les surfaces en bout des brides 5 (figure 1) et sont destinés à recevoir des éléments élastiques réalisés sous la forme d'anneaux 11 de forme conique. Ces anneaux s'appuient par leurs bases sur les rondelles 12. Dans des évidements annulaires sur la surface extérieure du corps 1, sont logés des anneaux élastiques 13 embrassés par des anneaux rigides limiteurs 14. L'élément moteur fonctionne de la manière suivante. A l'arrivée du fluide moteur à travers le raccord 3 dans la cavité intérieure de la chambre tubulaire élas- tique 2, cette dernière s'élargit en transmettant un effort aux parties écartables du corps 1, tant directement par la chambre tubulaire élastique 2 que par les pièces intercalaires d'écartement 9. Sous l'action de la pression de fluide moteur dans la cavité intérieure de la chambre élastique 2, le raccord 3 se déplace dans la direction longitudinale, dans les limites de l'élasticité du matériau de la chambre élastique,en assurant ainsi l'auto-étanchéification des extrémités de la chambre Il convient de noter que plus la pression de fluide moteur dans la cavité de la chambre est forte, plus le serrage de ses extrémités entre la surface conique et la tête du raccord 3 et 13 surface conique intérieure correspon- dante de la cage est fort. Grâce à ce mode de réalisation, il est possible d'éviter la désétanchéification de la cavité de la chambre élastique 2 aux hautes pressions voisines de 100 MPa. La pression du fluide moteur est transmise par l'intermédiaire de la chambre tubulaire 2 aux anneaux 11 de forme conique et conduit à l'élargisse- ment élastique de ceux-ci dans la direction radiale. Les anneaux 11 serrent alors, avec un effort, les rondelles 12 contre les faces en bout des pièces intercalaires d'écar- tement 9 et contre la surface latérale des gorges circulaires pratiquées sur la surface intérieure du corps dans lesquelles sont fixées les cages 4 rigidement dans la direction longitudinale. On compense ainsi les jeux microscopiques annulaires formés aux hautes pressions en prévenant le "filage" du matériau de la chambre élastique 2 dans ces jeux. Dès que la pression de service décroît jusqu'à zéro, les parties mobiles de l'élément moteur sont ramenées par les anneaux élastiques 13, s'appuyant sur les anneaux rigides limiteurs 14, à la position initiale. L'emploi de l'élément moteur faisant l'objet de l'invention permet d'élever notablement la productivité du travail à l'exploitation des carrières de pierre et au travail des pierres pour bâtiment, d'élever la sécurité de travail et de simplifier la technologie de certains processus de production dans les conditions souterraines. L'emploi de l'élément moteur faisant l'objet de l'invention dans les constructions mécaniques et au travail des métaux en tant que commande puissante pour les organes d'exécution des presses et des vérins permet de simplifier leur construc- tion et de réduire l'encombrement. L'efficacité économique de l'invention a été évaluée par un exemple concret dans l'un de ses domaines d'utilisation. L'élément moteur, selon la présente invention, long de 40 cm et ayant un diamètre extérieur de 42 mm, développe à unepression du fluide moteur dans la chambre élastique égale à 100 MPa, un effort de 3PO t, ce qui permet de l'utiliser en tant qu'organe de travail à l'arrachement des monolithes de pierre naturelle suivant une ligne de trous. R E V E N D I C A T I ON S 1.- Elément moteur du type comportant un corps composite assemblable suivant son axe longitudinal, à l'intérieur duquel est montée coaxialement une chambre tubulaire mlastique, deux pièces intercalaires d'écartement, dont chacune est disposée d'un côté de la ligne d'assem- blage du corps et dans le plan, perpendiculaire à l'axe du corps, réalisé avec une section trapézoïdale, dont la grande base s'appuie sur la chambre élastique et dont les côtés latéraux s'appuient sur la paroi intérieure du corps et deux cages recevant, chacune, un raccord destiné à amener un fluide moteur dans la cavité de la chambre élastique, chacune des extrémités de la chambre tubulaire élastique étant disposée entre le raccord et la cage, caractérisé en ce que chacune des cages (4) est munie d'une bride (5) logée dans un alésage circulaire pratiqué sur la surface intérieure du corps (1) et abritant un élément élastique entourant la chambre tubulaire élastique (2) et en ce que les raccords (3) sont montés dans les cages de manière à pouvoir effectuer un déplacement longitudinal. 2.- Elément moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est muni de deux douilles (6) liées, chacune, rigidement, à la cage (4) et possédant un canal cylindrique central qui est destiné au montage du raccord (3) et est conjugué avec la surface conique, dont la génératrice est inclinée à un angle, par rapport à l'axe longitudinal de la douille (6), qui correspond à l'angle d'inclinaison de la génératrice de la surface conique de la tête du raccord (3) et en ce que la génératrice de la surface conique réalisée dans la cage (4) est inclinée à un angle,par rapport à l'axe longitudinal de la cage (4), qui correspond à l'angle d'inclinaison de la génératrice de l'autre surface conique de la tête du raccord (3), les surfaces coniques de la douille (6) et de la cage (4) étant orientées l'une vers l'autre par leurs grandes bases. 3.- Elément moteur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que chacun des éléments élastiques est constitué par un anneau (11) de forme conique, monté dans un évidement conique pratiqué dans la partie en bout de la bride (5) de la cage (4) et s'appuie par sa grande base sur une rondelle (12) logée dans l'alésage circulaire du corps (1).