Brevet FR2646464A1 — publié le 19901102

La présente invention concerne un procédé de réglage de la puissance de percussion d'un dispositif de percussion incorporé à un appareil de forage de roches commandé par un fluide sous pression, le fluide sous pression étant trans- mis simultanément au dispositif de percussion et, par l'in- termédiaire d'un dispositif réducteur de pression, à un dispositif d'alimentation, la puissance de percussion étant réglée par ajustement de la pression du fluide sous pres- sion transmis au dispositif de percussion. L'invention concerne aussi un ensemble de réglage de la puissance de percussion d'un dispositif de percussion dans un appareil de forage de roches commandé par un fluide sous pression, comprenant une pompe destinée à mettre un fluide sous pression, un dispositif de percussion et un dispositif d'avance dont la canalisation d'alimentation est raccordée à une canalisation sous pression de la pompe, et au moins un dispositif de réduction de pression monté entre la canalisation sous pression de la pompe et le dispositif d'avance afin que la pression du fluide transmis au dispo- sitif d'avance soit réglée à une valeur inférieure à celle de la pression de la canalisation sous pression de la pompe. La pression de percussion, dans des appareils de forage de roches et leurs dispositifs de manoeuvre, a été réglée jusqu'à présent à une certaine valeur fixe, et l'alimentation du dispositif de déplacement a été réglée par variation de la pression du dispositif d'avance d'après la nature de la roche à forer, et cette façon de procéder pose souvent des problèmes. Lorsque la pression d'avance est trop faible par rapport à la pression de percussion, le débit d'avance devient inférieur à la valeur nécessaire ou permise, l'im- pulsion de percussion n'est pas convenablement transmise le long de la tige de forage à la roche forée, mais provoque des vibrations de la tige de forage et du reste de l'appa- reillage de forage. Les vibrations se transforment progres- sivement en chaleur et l'élévation de température des accouplements vissés des trains de tiges et analogues devient plus grande si bien que ces parties sont soumises à des contraintes supplémentaires. Ceci peut même provoquer une détérioration de l'appareillage de forage ou l'appa- reillage de forage peut s'user plus rapidement que dans des conditions normales, sa durée d'utilisation étant ainsi raccourcie et le coût de fonctionnement étant accru. Simul- tanément, la vitesse de pénétration du trépan-dans la roche diminue et il faut plus de temps pour le forage d'un trou de longueur prédéterminée si bien que le coût du forage est accru. La vibration soumet aussi tous les autres éléments mécaniques et hydrauliques de l'appareillage de forage à des contraintes supplémentaires et augmente l'entretien nécessaire et les réparations au cours d'une utilisation prolongée. La présente invention a pour objet un procédé et un ensemble de commande de forage d'un appareil de forage de roches, évitant les difficultés précitées et permettant l'exécution d'une opération de forage de la meilleure façon possible compte tenu des conditions régnantes. Le procédé selon l'invention se caractérise en ce que le fluide sous pression est transmis par une pompe volumétrique dont la pression est réglée, le débit volumique de la pompe étant réglé par la pression régnant entre le dispositif d'avance et le dispositif dé réduction de pression, le rapport des pressions des fluides sous pression destinés à être trans- mis au dispositif de percussion et au dispositif d'avance respectivement étant réglé à une valeur sensiblement cons- tante par un dispositif de réglage de pression monté en série avec le dispositif d'avance. La caractéristique fondamentale de l'invention est que le rapport de la pression de percussion et de la pres- sion d'avance est maintenu sensiblement constant par ajus- tement de la pression de percussion proportionnellement à la pression d'avance afin que la puissance de l'impulsion de percussion dépende directement de l'amplitude de la pression d'avance nécessaire et, grâce à l'utilisation d'une pompe commandée par une pression, le débit volumique de celle-ci est réglable en fonction de la pression d'avance. Lorsque la puissance de percussion est propor- tionnelle au débit volumique du fluide pénétrant dans la machine de percussion, une variation de la pression d'avance provoque des variations analogues de la pression de percussion si bien que la pression de percussion et en conséquence la puissance de percussion sont proportion- nelles à la pression d'avance. L'ensemble selon l'invention se caractérise en ce que la pompe est une pompe volumétrique commandée par une tension, la canalisation de fluide sous pression parvenant au dispositif d'avance étant connectée à une canalisation à une pression de commande de la pompe disposée entre le dispositif de réduction de pression et le dispositif d'avance, la pompe comprenant au moins un dispositif de réglage de pression connecté à la canalisation d'alimenta- tion du dispositif d'avance en série avec elle afin que la pression du fluide sous pression transmis au dispositif de percussion ait une valeur correspondant à un rapport prati- quement constant avec la pression de la canalisation d'ali- mentation du dispositif d'avance. La caractéristique fondamentale de l'ensemble selon l'invention est que la canalisation d'alimentation du mo- teur d'avance est reliée à la canalisation à la pression de commande de la pompe volumétrique commandée par une pres- sion si bien que le débit volumétrique de la pompe est réglé d'après la pression d'alimentation du moteur d'avance. La canalisation d'alimentation comporte en outre un dispositif de réglage de pression qui maintient le rap- port de la pression de percussion à la pression d'avance à une valeur pratiquement constante. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel: la figure 1 est un schéma représentant les diverses connexions dans un mode de réalisation d'ensemble selon l'invention; et la figure 2 est un schéma représentant les connexions d'un autre mode de réalisation de l'invention. La figure 1 représente une pompe permettant un réglage du débit volumétrique, commandée par un moteur connu (non représenté). La pompe comporte un cylindre 2 de réglage de débit et un cylindre auxiliaire 3 rappelé par un ressort. La pompe comporte en outre une soupape 4 de réglage de type proportionnel, commandée par une pression. La pompe 1 est destinée à aspirer du fluide sous pression d'un réservoir 5 et à le transmettre à une canalisation sous pression 6. Cette canalisation est connectée & un dispositif 7 de percussion dont le fonctionnement et la structure sont connus de façon générale et ne sont pas décrits plus en détail dans le présent mémoire. Le fluide sous pression revenant du dispositif 7 de percussion par- vient par une canalisation 8 de retour au réservoir 5. La canalisation 6 sous pression de la pompe 1 est en outre raccordée par un étranglement 9 à une soupape proportion- nelle 10 à partir de laquelle le fluide sous pression par- vient à un dispositif 11 d'avance qui est en général un moteur d'avance mais qui peut aussi être un dispositif d'avance d'un autre type, par exemple un vérin commandé par un fluide sous pression. Le fluide sous pression provenant du moteur 11 est transmis par la canalisation 8 de retour au réservoir 5. La pression régnant dans la canalisation de fluide sous pression est transmise par une canalisation 12 de commande connectée entre l'étranglement 9 et la soupape proportionnelle 10 et par un second étranglement 13 à une soupape proportionnelle de décharge de pression 14 ainsi qu'à une soupape 4 de commande proportionnelle commandée par une pression. Le fluide sous pression de l'autre côté de la soupape 14 est transmis par la canalisation 8 de retour au réservoir 5. Lorsque le moteur (non représenté) fait tourner la pompe 1 d'une manière connue, une pression existe dans la canalisation sous pression de la pompe, le débit du fluide sous pression provoquant le fonctionnement du dispositif 7 de percussion et du moteur 11 afin que le dispositif de déplacement avance d'une manière connue. Dans l'hypothèse o les conditions restent toujours constantes, la pression dans la canalisation 12 de commande reste aussi constante, et le fonctionnement de la pompe i n'est pas commandé depuis l'extérieur. De cette manière, le cylindre 2 de réglage de débit et le cylindre auxiliaire 3 rappelé par un ressort normalement placés dans la pompe i assurent le maintien automatique du débit volumique de la pompe 1 de manière que la pression dans la canalisation 6 reste cons- tante. La structure et le fonctionnement de la pompe et des éléments associés sont bien connus et on ne les décrit pas plus en détail. Dans des conditions constantes, le fluide sous pres- sion circule de la canalisation 6 dans le premier étrangle- ment 9 et provoque l'apparition d'une perte de charge dans cet étranglement 9. Le fluide sous pression s'écoule aussi dans la soupape proportionnelle 10 vers le moteur 11 d'avance, si bien qu'une perte de charge prédéterminée, indépendante du débit, existe dans la soupape proportion- nelle 10 et la pression dans le moteur 11 est alors infé- rieure à la pression régnant dans la canalisation 6 et le dispositif 7 de percussion, la différence étant égale à la perte de charge commune de l'étranglement 9 et de la sou- pape proportionnelle 10. La pression du dispositif 7 de percussion est réglée par la soupape 14 de décharge de pression de type proportionnel qui règle la pression maxi- male de la canalisation 12. Le réglage de la soupape 14 permet la variation de la pression dans la canalisation 12 avec une augmentation ou une réduction correspondante du débit volumique de la pompe 1 et, en conséquence, une perte de charge dans la canalisation 6 sous pression ou dans le dispositif 7 de percussion. La commande de la soupape 14 de décharge de pression et celle de la soupape proportionnelle sont interconnectées de manière qu'une augmentation de la valeur du réglage de la soupape de décharge de pression, c'est-à-dire une augmentation de la valeur maximale de la pression dans la canalisation 12 de commande, provoque une réduction de la valeur de consigne de la soupape propor- tionnelle 10, si bien que le débit de fluide dans cette soupape crée une plus faible perte de charge et la pression appliquée au moteur 11 est alors accrue. Le réglage des soupapes est tel que les pressions dans le moteur 11 et dans le dispositif 7 de percussion présentent une relation linéaire, c'est-à-dire que leur rapport est sensiblement constant. Lorsque le trépan frappe des roches tendres, un trou, une cavité ou analogue en cours de forage, la force qui s'oppose à l'avance diminue si bien qu'il apparait une perte de charge dans le moteur 11 et ainsi entre la soupape proportionnelle 10 et l'étranglement 9. Comme ce dernier empêche une circulation rapide du fluide sous pression vers le moteur d'avance et ainsi une avance brutale du moteur 11, la perte de charge provoque une réduction correspon- dante de la pression dans la canalisation 12 de commande si bien que la position de la soupape 4 est réglée avec une réduction résultante rapide du débit volumique de la pompe 1. La pression dans la canalisation 6 sous pression diminue avec le débit volumique qui diminue si bien que la pression de percussion du dispositif 7 diminue rapidement lorsque la pression d'alimentation diminue. De cette manière, la puis- sance de percussion n'est jamais excessive compte tenu de l'avance, si bien que le dégagement de chaleur n'existe pas. Lorsque le trépan vient à nouveau frapper des roches normales ou la surface d'une roche, la pression du côté d'alimentation du moteur 11 augmente à nouveau et la pres- sion dans la soupape proportionnelle 10 et l'étranglement 9 augmente de même jusqu'à une valeur de la pression pour laquelle la soupape de décharge de pression 14 est réglée. De manière correspondante, une augmentation de la pression entre la soupape 10 et l'étranglement 9 provoque une éléva- tion de la pression dans la canalisation 12 de commande si bien que le débit volumique de la pompe i est accru par la soupape 4 Jusqu'à une valeur imposée par la pression de percussion réglée à l'origine. La figure 2 représente schématiquement un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel la pression de percussion n'est pas restreinte à une limite supérieure prédéterminée, mais la percussion et l'avance interagissent avec un rapport prédéterminé des pressions si bien qu'une élévation de la pression dans le moteur d'alimentation provoque une élévation de la pression dans le dispositif de percussion. De manière correspondante, une réduction de la pression d'avance provoque une perte de charge dans le dispositif de percussion. La figure représente aussi une soupape 15 de régulation destinée à commuter par tout ou rien le dispositif de percussion, et une soupape 16 de régulation destinée à relier le moteur d'avance destiné à faire avancer l'organe de déplacement vers l'avant ou vers l'arrière ou à l'arrêter. Le fonctionnement et la structure de ces soupapes sont bien connus et on ne les décrit pas plus en détail. Ce mode de réalisation utilise uniquement la soupape 10 de réglage proportionnel de la différence des pressions qui est connectée afin qu'elle maintienne une différence de pression proportionnelle à la pression d'ali- mentation entre la pression de percussion et la pression d'avance. Dans cette solution, lorsque les soupapes de régulation 15 et 16 sont dans leur position normale de fonctionnement, une variation de la pression d'avance pro- voque un changement de débit volumique de la pompe 1 d'une manière analogue à la figure 1, si bien que le rapport prédéterminé de la pression de la canalisation 6 d'alimen- tation de la pompe et ainsi du dispositif 7 de percussion à la pression d'alimentation du moteur d'avance est maintenu. Dans la solution de la figure 2, le rapport de la pression de percussion à la pression d'avance peut être ajusté par variation de la valeur de consigne de la soupape propor- tionnelle 10 de différencede pressions. Au contraire, lorsque le niveau de pression de percussion appliquée doit être réglé, l'opération peut être réalisée par ajustement de la contrainte préalable de la soupape 14 de commande utilisée pour le réglage du débit volumique de la pompe. On n'a décrit que quelques modes de réalisation de l'invention à titre illustratif et l'invention n'est pas limitée à ceux-ci. La caractéristique fondamentale de l'in- vention s'applique à l'utilisation de pompes volumétriques qui peuvent être réglées de différentes manières, avec des schémas de connexion de différents types permettant l'iden- tification des pressions et la transmission de la pression de commande à une pompe à débit volumique réglable. Des soupapes de régulation.et de commande et des soupapes de décharge de pression ou des soupapes analogues de réglage et de protection du fonctionnement de l'appareil n'ont pas été décrites ni représentées car elles ne sont pas primor- diales selon l'invention et sont très largement utilisées. L'utilisation de telles connexions de commande, de réglage et de protection ne limite aucunement l'invention ni la portée de celle-ci. L'invention a évidemment diverses applications telles que la commande de la flèche de forage ou ses éléments afin que les mouvements soient propor- tionnés les uns aux autres. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses élé- ments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. g REVENDICATIONS 1. Procédé de réglage de.la puissance de percussion d'un dispositif de percussion (7) dans un. appareil de forage de roches commandé par un fluide sous pression, dans lequel le fluide sous pression est transmis simultanément au dispositif de percussion (7) et, par l'intermédiaire d'un dispositif de réduction de pression (9), à un disposi- tif d'avance (11), et dans lequel la puissance de percus- sion est réglée par ajustement de la pression du fluide transmis au dispositif de percussion (7), caractérisé en ce que le fluide sous pression est transmis par une pompe volumétrique (1) commandée par une pression, le débit volu- mique de la pompe (1) étant réglé par la pression régnant entre le dispositif d'avance (11) et le dispositif de réduction de pression (9), le rapport des pressions des fluides transmis au dispositif de percussion (7) et au dispositif d'avance (11) respectivement étant réglé à une valeur sensiblement constante par un dispositif (10) de réglage de pression monté en série avec le dispositif d'avance (11). 2. Ensemble de réglage de la puissance de percussion d'un dispositif de percussion (7) d'un appareil de forage de roches commandé par un fluide, comprenant une pompe (1) destinée à mettre un fluide sous pression, un dispositif de percussion (7) et un dispositif d'avance (11) dont la cana- lisation d'alimentation est connectée à une canalisation sous pression (6) de la pompe (1), et au moins un disposi- tif (9) de réduction de pression monté entre la canalisa- tion sous pression (6) de la pompe (1) et le dispositif d'avance (11) afin que la pression du fluide sous pression destiné au dispositif d'avance (11) soit réglée à une valeur inférieure à la pression régnant dans la canalisa- tion sous pression (6) de la pompe, caractérisé en ce que la pompe (1) est une pompe volumétrique (1) commandée par une pression, la canalisation de fluide sous pression qui rejoint le dispositif d'avance (11) étant connectée à une canalisation (12) de pression de réglage de la pompe (1) entre le dispositif de réduction de pression (9) et le dispositif d'avance (11), la pompe comprenant au moins un dispositif (10) de réglage de pression raccordé à la cana- lisation d'alimentation du dispositif d'avance (11) en série avec lui afin que la pression du fluide sous pression destiné au dispositif de percussion (7) forme un rapport sensiblement constant avec la pression de la canalisation d'alimentation du dispositif d'avance (11). 3. Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif (9) de réduction de pression est un étranglement (9). 4. Ensemble selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le dispositif (10) de réglage de pression est une soupape (10) ayant une différence réglable de pression et montée entre l'étranglement (9) et le dispositif (11). 5. Ensemble selon la revendication 4, caractérisé en ce que la canalisation (12) à la pression de réglage de la pompe (1) est montée entre la soupape (10) de différence de pressions et le dispositif d'avance (11). 6. Ensemble selon la revendication 4, caractérisé en ce que la canalisation (12) à la pression de réglage de la pompe (1) est connectée entre l'étranglement (9) et la soupape (10) de différence de pressions, l'ensemble compre- nant en outre une soupape réglable de décharge de pression (14) connectée à la canalisation (12) à la pression de réglage de la pompe et limitant la pression de la canalisa- tion (12) de réglage et ainsi la pression du fluide sous pression transmis au dispositif de percussion (7) à une valeur maximale prédéterminée. 7. Ensemble selon la revendication 6, caractérisé en ce que les dispositifs de commande de la soupape de diffé- rence de pressions (10) et de la soupape de décharge de pression (14) sont connectés afin qu'ils soient commandés simultanément et que, lorsque la pression maximale du fluide sous pression qui doit être transmis au dispositif de percussion (7) est réglée, la soupape de différence de pressions (10) soit réglée de manière correspondante et que le rapport de la pression du fluide sous pression transmis au dispositif de percussion (7) et de la pression du fluide sous pression transmis au dispositif d'avance (11) reste pratiquement constant.