Brevet FR2664831A1 — publié le 19920124

VIBRATEUR MULTI-FREQUENCE. La présente invention a pour objet un vibrateur multi- fréquence utilisable notamment, mais non exclusivement, pour enfoncer dans le sol des objets tels que des pieux ou des palplanches. Elle concerne plus particulièrement les vibrateurs du type comportant une ou plusieurs cellules vibratoires comprenant chacune au moins un couple de masselottes rotatives excentrées par rapport à leur axe d'entraînement et des moyens d'entraîner en rotation, à une même vitesse mais en sens inverse, les axes d'entraînement, ces moyens faisant habituellement inter- venir une motorisation hydraulique alimentée par une pompe à débit constant de fluide hydraulique sous pres- sion. D'une manière générale, on sait qu'il existe d'ores et déjà deux types de vibrateurs de ce genre, dont le cri- tère distinctif est la fréquence, à savoir: les vibra- teurs moyenne fréquence qui tournent classiquement à des vitesses comprises entre 1000 et 1800 t/mn et les vibra- teurs dits "haute fréquence" qui tournent à des vitesses supérieures à 2200 t/mn L'intérêt de la haute fréquence est de plusieurs ordres et résulte notamment de l'atténuation de la propagation des vibrations dans le 2 - sol et de l'augmentation de la force centrifuge qui est proportionnelle, à un moment d'excentricité constant, au carré de la fréquence. Réciproquement, pour une puissance de vibrateur donnée, le fait de fonctionner à fréquence réduite permet l'usage d'un moment d'excentricité plus important et dès lors, de bénéficier d'une amplitude de vibration plus importante. Ainsi, ces vibrateurs à puissance réduite conviennent notamment au fonçage dans les sols argileux pour lesquels il est nécessaire de produire des vibrations présentant une amplitude dont la valeur minimale est de l'ordre de quelques millimètres, et ce, en fonction de l'élasticité de ce type de sol. Il s'avère qu'il n'existe pas, à l'heure actuelle, de vibrateurs susceptibles de passer commodément de l'une à l'autre des deux gammes de fréquence précédemment évo- quées. Il est certes possible, dès à présent, grâce à l'emploi d'une pompe à débit variable, de réduire la fréquence d'un vibrateur en diminuant le débit de la pompe Toute- fois, on réduit dans les mêmes proportions la puissance disponible du vibrateur (qui est égale au débit multiplié par la pression maximale admissible dans le circuit hydraulique. De même, il est possible de penser que ce changement de fréquence puisse être obtenu en utilisant un moteur à débit variable Toutefois, la conception actuelle de ces moteurs et de leurs mécanismes de commande est, a priori, incompatible avec les vibrations auxquelles ils se trou- vent soumis, de sorte que cette solution est immédiate- ment écartée par un homme de l'art En outre, la régula- tion d'un tel moteur est relativement complexe, d'un coût 3 - élevé et d'une fiabilité hypothétique pour les mêmes rai- sons. L'invention a donc plus particulièrement pour objet la conception et la réalisation d'un vibrateur pouvant, à différentes vitesses, mobiliser l'intégralité de la puis- sance disponible du vibrateur, de manière à surmonter les inconvénients précédemment évoqués et pouvoir disposer en quelque sorte de plusieurs appareils en un seul (haute fréquence à petit moment et moyenne fréquence à grand moment). Elle propose à cet effet un vibrateur du type de celui précédemment décrit dans lequel la motorisation comprend au moins deux corps de moteur hydraulique, mécaniquement couplés aux arbres d'entraînement des masselottes et ali- mentés par la pompe hydraulique par l'intermédiaire d'un circuit de distribution apte à alimenter, soit l'un des deux corps, soit les deux corps en parallèle de manière à obtenir à volonté au moins les deux modes de fonctionne- ment suivants: un premier mode de fonctionnement dans lequel l'un des deux corps est alimenté et entraîne le vibrateur à une vitesse de rotation imposée par le rapport entre le débit de la pompe et la cylindrée de ce corps, tandis que l'autre corps, dont le circuit hydraulique est rebouclé sur lui-même, est inactif; au moins un deuxième mode de fonctionnement dans lequel le fluide hydraulique émanant de la pompe est injecté dans les deux corps et se répartit dans ces derniers, la fréquence obtenue étant alors imposée par le rapport entre le débit de la pompe et la somme des cylindrées des deux corps. Bien entendu, l'invention peut faire intervenir N corps de moteur, de manière à pouvoir obtenir une multiplicité 4 - de fréquences dont chacune est déterminée par le rapport entre le débit de la pompe et la cylindrée utilisée qui est celle d'un des corps ou égale à la somme des cylin- drées de plusieurs corps. Avantageusement, le vibrateur selon l'invention pourra en outre comprendre un dispositif permettant de faire varier le moment du vibrateur en engendrant un déphasage affec- tant respectivement la rotation des masselottes des deux cellules. Grâce au cumul de ces deux mesures (fréquence variable- moment indépendamment de la fréquence), on obtient un vibrateur universel pouvant s'adapter de façon optimale à toutes les conditions d'emploi. Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels Les figures 1 et 2 représentent schématique- ment, respectivement en coupe axiale et en coupe transversale d'un vibrateur à moment variable entraîné par deux corps de moteur hydraulique; La figure 3 est une coupe axiale à plus grande échelle d'un mode d'exécution du dispositif de transmission à déphasage commandé utilisable dans le dispositif représenté figure 1; Les figures 4 et 5 sont des représentations schématiques du circuit de distribution alimen- tant le vibrateur représenté figure 1, selon un premier mode de fonctionnement (figure 4) et selon un second mode de fonctionnement (figure ). -5- Dans l'exemple représenté sur les figures 1 et 2, le vibrateur comprend deux trains de masselottes excentrées 1, 2 montées rotatives au moyen d'arbres 3, 3 ' 4, 4 ' parallèles à un axe transversal, et dont les extrémités s'engagent dans des paliers 5, 6 portés par deux flasques parallèles 7, 8 constituant les deux côtés latéraux d'un boîtier. A chacune des masselottes 1, 2 est associé un pignon 10, 10 ' 11, 11 ' dimensionné de manière à ce que les pignons associés à un même train de masselottes 1, 2 engrènent ensemble. Sur la figure 2, on a représenté deux trains de masse- lottes 1, 2 comprenant chacun au moins un couple d'ensembles masselotte/pignon 1 10, 1 ' 10 ', 2 11, 2 ' 11 ' représenté en trais pleins, l'ensemble repré- senté partiellement en traits interrompus indiquant le mode d'implantation d'un autre couple. Les pignons 10 et 11 des deux trains de masselottes 1, 2 engrènent en outre avec deux pignons coaxiaux respectifs 12, 13 axés parallèlement à l'axe transversal et couplés l'un à l'autre, par l'intermédiaire d'un dispositif de transmission 14 à déphasage commandé par un fluide sous pression. Un tel dispositif de transmission 14 peut comprendre, comme représenté sur les figures 1 et 3 un manchon cylindrique 15 portant le pignon 12, ce man- chon comprenant, d'un côté, un fond 16 prolongé coaxia- lement par un tourillon 17 s'engageant dans un palier 18, porté par le flasque 8, le fond 16 et le tourillon 17 étant traversés par un canal axial 19 d'admission de fluide sous pression; -6 - un joint tournant 20 monté en bout du tourillon 17 et sur lequel est raccordé un conduit souple 21 d'alimentation en fluide sous pression; un piston 22 monté coulissant avec étanchéité dans la cavité cylindrique 23 du manchon 15, et formant avec celle-ci une chambre de travail 24, ce piston 22 com- prenant une cavité cylindrique coaxiale 25 portant des cannelures axiales et s'ouvrant du côté opposé au fond; un arbre d'entraînement 26 du pignon 13 dont l'extrémité cannelée vient s'engager coaxialement dans la cavité 25 de manière à solidariser ces deux pièces 22, 26 en rotation tout en autorisant un coulissement axial du piston 22 dans le manchon 15; un ressort de compression 27 éventuellement disposé dans le volume compris entre l'extrémité de l'arbre 26 et le piston 22. Par ailleurs, le piston 22 porte au niveau de sa surface cylindrique une ou plusieurs gorges hélicoïdales 28 à pas relativement important Dans cette ou ces gorges 28 s'engagent un ou plusieurs ergots 29 solidaires de la surface intérieure du manchon. Il est clair qu'en l'absence de fluide sous pression, le piston 22, sollicité par le ressort 27, se trouve en position rétractée, les ergots 29 venant en butée sur leurs fonds des gorges 28 respectifs, comme représenté figure 3. Le profil des ergots est dessiné en fonction du compromis recherché entre la réduction du frottement et la résis- tance mécanique d'ensemble qui dépend du couple à obte- nir. -7- Dans cette position, les masselottes 1, 2 des deux trains de masselottes sont en phase. Lorsque du fluide sous pression est injecté dans la chambre de travail 24, le piston 22 est poussé vers l'arrière contre l'action du ressort 25. Au cours de ce déplacement, les ergots 29 se trouvent guidés par la gorge hélicoïdale 28, et il en résulte une rotation relative entre manchon 15 et piston 22 et donc entre les pignons 12 et 13 La conformation de la gorge 28 et le rapport de réduction des pignons 10, 11 12, 13 sont alors prévus de manière à ce que la rotation rela- tive des deux trains de masselottes 1, 2 puisse atteindre 1800 et, qu'en conséquence, ces trains de masselottes 1, 2 se trouvent en opposition de phase. Lorsqu'ensuite la pression exercée dans la chambre de travail 24 est interrompue, le piston, sollicité par le ressort 27 ou par tout autre phénomène ou moyen, retourne à sa position initiale. Il convient de noter que l'usage d'un ressort 25 n'est pas indispensable En effet, en raison du couple engendré naturellement par l'effet dû à l'action des masselottes 1, 2 (résistance au fonçage), celles-ci ont tendance à se disposer naturellement en phase Toutefois, pour per- mettre un retour automatique en déphasage, il convient de maintenir un déphasage résiduel. Dans l'exemple représenté sur les figures 4 et 5, les deux corps de moteur Ml et M 2 respectivement accouplés aux arbres 3, 4 du vibrateur V représenté sur la figure 1 sont montés en parallèle sur un circuit commun d'admission 31 et de retour 32 à la bâche d'une pompe hydraulique P à débit constant, à l'aide de deux circuits respectifs comprenant chacun un conduit d'admission 33, -8 - 33 ' et un conduit de retour 34, 34 ' ainsi qu'un distribu- tt Qu= DI, D 2 p Qerm Qttant 2 soit d'assurer une circulation normale du fluide dans ces deux conduits 33, 34 33 ', 34 ' (position 1); soit d'interrompre le conduit d'admission 33, 33 ' et de le reboucler, côté moteur Ml, M 2, sur le conduit de retour 34, 34 ' (position 2). Dans l'exemple représenté sur la figure 4, le distribu- teur Dl est en position 1, tandis que le distributeur D 2 est en position 2, de sorte que le débit total D de la pompe P passe par le moteur Ml, le moteur M 2 tournant en roue libre. La fréquence Fl du vibrateur est fonction du rapport de ce débit et de la cylindrée du moteur Ml. Dans l'exemple représenté sur la figure 5, les deux dis- tributeurs Dl et D 2 sont en position 1 et sont donc tra- versés par deux fractions complémentaires du débit D de la pompe P. La fréquence F 2 du vibrateur est alors fonction du rap- port entre le débit D et la somme des cylindrées des mo- teurs Ml et M 2. L'utilisation d'un moteur M 2 de faible cylindrée permet une extension des possibilités de fonçage du vibrateur. Elle autorise une légère réduction de la vitesse et, par conséquent, une réduction sensible de la puissance consommée par le sol, en permettant ainsi un approfondis- sement du fonçage. En particulier, l'usage d'un moteur M 2 d'une cylindrée d'environ la moitié de celle du moteur principal permet de disposer de deux régimes de fonctionnement, par exemple 1500 et 1000 t/mn, ou encore 2250 t/mn (haute -9 _ fréquence) et 1500 t/mn (moyenne fréquence) avec cepen- dant le même moment. En outre, grâce aux possibilités de réglage du moment, il est possible d'obtenir un moment donné pour un régime haute fréquence et un moment accru de 50 à 100 % pour un régime à moyenne fréquence. Ces deux combinaisons présentent, en effet, l'avantage de fournir des forces centrifuges comparables. Bien entendu, l'invention ne se limite pas au mode d'exécution précédemment décrit. Ainsi, le vibrateur pourrait faire intervenir N moteurs venant se connecter de la façon du moteur Mn représenté en traits interrompus sur les figures 4 et 5. Cette solution, qui présente l'avantage de pouvoir obte- nir une multiplicité de fréquence, présente cependant l'inconvénient lié au nombre des moteurs utilisés. - Revendications 1 Vibrateur multi-fréquence du type comportant une ou plusieurs cellules vibratoires comprenant chacune au moins un couple de masselottes rotatives excentrées par rapport à leur axe d'entraînement, et des moyens per- mettant d'entraîner en rotation, à une même vitesse, mais en sens inverse, les axes d'entraînement, ces moyens fai- sant intervenir une motorisation hydraulique alimentée par une pompe (P) à débit constant de fluide hydraulique sous pression, caractérisé en ce que la motorisation comprend au moins deux corps de moteur hydraulique (Ml, M 2), mécaniquement couplés aux arbres d'entraînement des masselottes et ali- mentés par la pompe hydraulique (P) par l'intermédiaire d'un circuit de distribution ( 31, 32, 33, 34, 33 ', 34 ') apte à alimenter, soit l'un des deux corps (Ml, M 2), soit les deux corps (Mi, M 2) en parallèle, de manière à obte- nir à volonté au moins les deux modes de fonctionnement suivants: un premier mode de fonctionnement dans lequel l'un des deux moteurs (Ml) est alimenté et entraîne le vibrateur à une vitesse de rotation imposée par le rapport entre le débit de la pompe et le cylindre de ce moteur, tan- dis que l'autre moteur (M 2), dont le circuit hydrau- lique est rebouclé sur lui-même, est inactif; au moins un deuxième mode de fonctionnement dans lequel le fluide hydraulique émanant de la pompe (P) est injecté dans les deux corps (Mi et M 2) et se répartit dans ces derniers, la fréquence obtenue étant alors imposée par le rapport entre le débit de la pompe (P) et la somme des cylindrées des deux corps (Ml et M 2). 2 Vibrateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la susdite motorisation comprend n corps de moteur, de manière à pouvoir obtenir une multi- il - plicité de fréquences dont chacune est déterminée par le rapport entre le débit de la pompe (P) et la cylindrée utilisée qui est celle d'un des corps ou égale à la somme des cylindrées de plusieurs corps. 3 Vibrateur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif ( 14) permettant de faire varier le moment du vibrateur en engendrant un déphasage affectant respectivement la rota- tion des masselottes ( 1, 2) des deux cellules.