Brevet FR2695687A1 — publié le 19940318

La présente invention concerne un dispositif d'asservissement hydraulique destiné, notamment, aux moteurs d'entraînement de têtes de forage. De façon habituelle, les têtes de forage sont entraînées en rotation par un ou plusieurs moteurs hydrauliques alimentés par une source de fluide sous pression, la plupart du temps à une pression sensiblement constante. Afin de pouvoir contrôler la vitesse de rotation de la tête de forage, on a proposé d'interposer, entre celle-ci et les moteurs d'entraînement, une boite de vitesse de type à engrenages. Ce type de dispositif présente plusieurs inconvénients. En effet les boîtes de vitesse utilisées sont habituellement très volumineuses, si bien qu'il est parfois très difficile, voire même impossible, de les mettre en oeuvre lorsque l'accès au puits de forage est difficile. De plus, dans ces dispositifs, le couple délivré est fonction de la vitesse de rotation, si bien qu'aux faibles vitesses, ils possèdent un couple d'entraînement en rotation notoirement insuffisant. On sait également que ces dispositifs absorbent, en raison des frottements importants qu'ils génèrent, une consommation d'énergie non négligeable par rapport à celle utilisée pour le forage. On a également proposé, pour contrôler la vitesse de rotation des têtes de forage, d'associer en série plusieurs moteurs hydrauliques. Cependant il s'est avéré que le rendement énergétique d'une telle disposition était particulièrement mauvais puisque, les moteurs étant déjà couplés mécaniquement, un moteur peut parfaitement agir dans un sens alors que, dans ce sens, l'autre crée un couple résistant, s'opposant à la rotation du premier. Quoiqu'il en soit, les différents dispositifs de l'état antérieur de la technique ne permettent pas non plus de bénéficier d'une plage de vitesses suffisamment large pour effectuer la totalité des travaux que l'on souhaite réaliser. De plus, ces dispositifs ne permettent que rarement d'effectuer le réglage à distance de la vitesse, et lorsque tel est le cas, ce réglage est obtenu par des moyens complexes, encombrants et difficiles à mettre en oeuvre. Enfin, les dispositifs de l'état antérieur de la technique ne permettent pas de réaliser un couplage entre la vitesse de rotation et le couple d'entraînement susceptible d'être fourni par le dispositif. La présente invention a pour but de remédier à ces différents inconvénients en proposant un système d'encombrement réduit permettant de contrôler, à distance, la vitesse de rotation d'une tête de forage, qui est d'une construction et d'un entretien facile et qui, de plus, est d'un prix de revient intéressant. La présente invention a ainsi pour objet un dispositif d'asservissement, notamment pour les systèmes d'entraînement de têtes de forage, comprenant au moins un moteur hydraulique, alimenté en puissance par une source de fluide hydraulique sous pression, la vitesse de ce moteur étant variable et réglable en fonction d'une pression hydraulique variable et réglable appliquée à une entrée de commande de vitesse de ce moteur, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour faire varier de façon contrôlée la pression appliquée à l'entrée de commande de vitesse dudit moteur comprenant:: - des moyens d'alimentation en fluide sous pression, - des moyens de régulation de la pression et/ou du débit de fluide hydraulique fourni par les susdits moyens d'alimentation qui sont reliés à l'entrée de commande de vitesse dudit moteur, - des moyens aptes à créer une perte de charge, de valeur variable et contrôlée, entre la sortie des moyens de régulation de débit et l'entrée de commande de vitesse du moteur, de façon à faire varier, de façon contrôlée, la pression appliquée à ladite entrée de commande de vitesse du moteur. Dans un mode de mise en oeuvre de l'invention, le moteur hydraulique est constitué d'un moteur à cylindrée variable, comportant une entrée de commande de cylindrée. Dans un autre mode de mise en oeuvre intéressant de l'invention, le dispositif d'asservissement comprend deux moteurs à cylindrée variable, alimentés en parallèle par ladite source de fluide hydraulique sous pression, l'entrée de commande de cylindrée de chacun de ces moteurs étant reliée à ladite perte de charge de valeur variable et contrôlée. Dans un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, qui permet de réaliser une simplification notable des moyens utilisés, les moyens d'alimentation en fluide hydraulique sous pression sont constitués par l'alimentation hydraulique de puissance du moteur. Dans un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, le dispositif d'asservissement comporte, en amont des moyens de régulation du débit du fluide hydraulique, un sélecteur de circuit, apte à occuper deux positions, à savoir une première position, ou position de repos, dans laquelle il relie l'entrée des moyens de régulation de débit à un réservoir de fluide, et une seconde position, ou position de travail, dans laquelle il relie l'entrée des moyens de régulation de débit aux moyens d'alimentation en fluide hydraulique sous pression. Dans une variante de ce mode de mise en oeuvre de l'invention, le sélecteur de circuit comporte des moyens de commande hydrauliques, aptes à le mettre en position de repos lorsqu'il n'est soumis à aucune pression, et en position de travail lorsqu'il est soumis à pression. On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel La figure 1 est une vue schématique, d'un dispositif d'asservissement hydraulique suivant l'invention. La figure 2 est une vue schématique partielle d'une première variante de mise en oeuvre du dispositif de la figure 1. La figure 3 est une vue schématique partielle, d'une seconde variante de mise en oeuvre du dispositif de la figure 1. Le dispositif suivant l'invention comprend essentiellement deux moteurs hydrauliques 1, dits à cylindrée variable. On sait que ce type de moteurs est pourvu de moyens mécaniques, commandés hydrauliquement, qui permettent de faire varier leur cylindrée. Cette variation de cylindrée du moteur se traduit, pour un débit d'alimentation en fluide constant de celui-ci, par une variation de sa vitesse de rotation. Habituellement, la variation de cylindrée est obtenue en appliquant à une entrée spécifique du moteur, ou entrée de commande de cylindrée, une pression hydraulique variable et réglable. Comme représenté sur la figure 1, les moteurs 1 comportent, chacun, un orifice d'admission 3 et un orifice de sortie 5 du fluide hydraulique sous pression, ainsi qu'une entrée de commande de cylindrée 7. Les orifices 3 et 5 sont réunis respectivement à des canalisations d'arrivée 9 et de départ 11 d'un fluide hydraulique sous pression. Le dispositif comprend un circuit de pilotage de la vitesse des moteurs 1, formant une boucle 12, dans laquelle sont disposés, en série, un sélecteur de circuit 15, un régulateur de débit fixe 13 comportant une entrée e et une sortie s, un régulateur de débit variable et réglable 16, dont le débit est contrôlé par une commande 16a, et une évacuation 14 vers un réservoir de fluide hydraulique 14a. On pourrait bien entendu, utiliser également, à la place du régulateur de débit 13, un dispositif régulateur de pression. La sortie s du régulateur de débit 13 est réunie à l'entrée 7 de la commande de cylindrée de chaque moteur 1. Le sélecteur de circuit 15 est constitué d'une vanne, susceptible d'occuper deux positions sous l'action d'une commande hydraulique 10, à savoir une position de repos et une position de travail. La commande hydraulique 10 est reliée, par une canalisation 17, à la canalisation d'arrivée de fluide sous pression 9, et comporte des moyens élastiques 18 qui, en l'absence de toute pression sur la commande 10, mettent le sélecteur 15 en position de repos. Le sélecteur 15 comporte trois orifices A, B, C, qui sont respectivement réunis à l'entrée e du régulateur de débit 13, à l'évacuation 14 et à la canalisation 9 d'alimentation en fluide hydraulique sous pression.Le sélecteur de circuit 15 assure la communication de l'entrée e du régulateur de débit 13 avec le réservoir de fluide 14a et avec la canalisation d'arrivée de fluide sous pression 9, lorsqu'il se trouve respectivement en position de repos (figure 1) et en position de travail. Dans ces conditions, en l'absence de toute pression de fluide dans la canalisation 17, le sélecteur 15, est mis en position de repos par les moyens élastiques 18, si bien que le régulateur de débit 13 se trouve en communication avec l'évacuation 14. Inversement, lorsque la commande hydraulique 10 est sous pression, le sélecteur 15 est en position de travail, si bien qu'il autorise l'alimentation en fluide sous pression du régulateur de débit 13. Une soupape de sécurité 19 est disposée entre la sortie s du régulateur de débit 13 et le réservoir de fluide 14a. Cette soupape de sécurité 19 court-circuite le fluide en sortie du régulateur de débit 13 en le dérivant vers le réservoir 14a, lorsque la pression dans la boucle 12 dépasse une valeur maximale autorisée prédéterminée. Dans ces conditions le dispositif suivant l'invention fonctionne de la façon suivante Avant la mise en route du dispositif on aura présélectionné, à l'aide de la commande 16a du régulateur de débit variable et réglable 16, une valeur prédéterminée du débit de fluide que l'on souhaite prélever à celui fourni par le régulateur de débit fixe 13. Au démarrage du dispositif, la pression du fluide dans la canalisation d'arrivée 9 est nulle, si bien que la commande hydraulique 10 du sélecteur de circuit 15 n'est pas alimentée en fluide sous pression et, en conséquence, le sélecteur 15 est mis en position de repos par les moyens élastiques 18, position dans laquelle le régulateur de débit 13 est en communication avec le réservoir 14a. En conséquence, aucune pression hydraulique n'est fournie à l'entrée 7 de la commande de cylindrée des moteurs hydrauliques 1, de sorte que ces derniers sont en position de cylindrée maximale. En conséquence, au démarrage du dispositif, le couple d'entraînement des moteurs 1 se trouve réglé, automatiquement, à une valeur maximale, ce qui est propice à un démarrage efficace du dispositif. Ensuite, le fluide hydraulique arrivant par les canalisations 9 et 17 à l'entrée de la commande 10 du sélecteur du circuit 15, celui-ci bascule en position de travail, de sorte que l'entrée e du régulateur de débit fixe 13 se trouve en communication avec la canalisation 9 d'arrivée de fluide hydraulique. Ce dernier traverse alors le régulateur de débit fixe 13 avec un débit prédéterminé par la constitution de celui-ci, et le fluide hydraulique, en sortie du régulateur de débit 13 subit alors une perte de charge fonction du débit du régulateur de débit 16.L'entrée de commande de cylindrée 7 des moteurs hydrauliques 1 est ainsi soumise à une pression que l'on peut régler facilement en jouant sur l'importance de la perte de charge créée par le régulateur de débit 16, si bien que l'on peut ainsi ajuster la cylindrée des moteurs 1 à une valeur souhaitée et, en conséquence, leur vitesse de rotation. Suivant la présente invention, lorsque l'on inverse le sens d'écoulement du fluide hydraulique, par exemple pour réaliser une opération de desserrage des tubes de forage ou du trépan de forage, la commande 10 du sélecteur de circuit 15 n'est plus alimentée en fluide sous pression, de sorte que celui-ci se met en position de repos, ce qui amène ainsi, comme vu précédemment, les moteurs 1 à se trouver en position de cylindrée maximale, c'est-à-dire dans une position où leur couple d'entraînement est maximal. La présente invention permet donc de mettre automatiquement les moteurs 1 en position de couple maximal dans certaines conditions ou cela est requis. Bien entendu, le dispositif suivant l'invention permet de piloter le fonctionnement d'un nombre quelconque de moteurs. Dans un mode de mise en oeuvre intéressant de l'invention, on peut disposer, comme représenté sur la figure 2, un clapet navette 21 entre l'orifice C du sélecteur de circuit 15 et deux canalisations constituées par la canalisation d'alimentation 9 et une canalisation 9', réunie à la sortie 11 de fluide hydraulique. Ce type de clapet est, en fait, constitué de deux clapets disposés en sens opposés, à savoir un clapet supérieur 21a laissant passer le fluide hydraulique lorsque celui-ci arrive par la canalisation 9 et le bloquant dans l'autre sens, et un clapet inférieur 21b s'ouvrant en sens inverse à savoir, lorsque le fluide arrive par la canalisation 9' réunie à la canalisation 11.Cette disposition, permet, pour certaines formes de mise en oeuvre spécifiques de l'invention, de pouvoir bénéficier des avantages procurés par celle-ci, aussi bien lorsque les moteurs tournent dans un sens que lorsqu'ils tournent dans l'autre. En effet, suivant cette disposition, lorsque le fluide hydraulique arrive au clapet navette 21 par la canalisation 9 (sens de rotation normal des moteurs 1) il traverse le clapet supérieur 21a et, lorsqu'il arrive par la canalisation 9', (sens de rotation inversé des moteurs 1) il traverse le clapet inférieur 21b. Dans un tel mode de mise en oeuvre de l'invention le couple de rotation, lorsque le flux de fluide hydraulique est inversé n'est pas automatiquement commuté à sa valeur maximale, comme dans le mode de mise en oeuvre précédent, et l'on peut alors régler la vitesse des moteurs aussi bien dans un sens de rotation que dans l'autre. La variante de mise en oeuvre décrite ci-après, en regard de la figure 3, permet d'obtenir automatiquement un plein couple et une faible vitesse dans le sens de rotation inverse des moteurs. Deux obturateurs 28 et 30 ont été disposés dans les deux branches 9 et 9' qui relient l'entrée du sélecteur de circuit 15 respectivement aux circuits d'alimentation directe 9 et inverse 9' en fluide sous pression. Ces obturateurs peuvent, éventuellement, être commandés au moyen, de préférence, d'une commande à distance mécanique et/ou hydraulique, en fonction du sens de rotation souhaité des moteurs 1. Ainsi, au démarrage, les deux obturateurs 28,30 sont en position fermée. On ouvre ensuite l'obturateur 28 si le fluide arrive par la canalisation 9 et si l'on désire assurer une régulation de la vitesse du moteur dans son sens direct de rotation, et l'obturateur 30 si le fluide hydraulique arrive par la canalisation 11 et si l'on désire assurer une régulation de la vitesse du moteur dans son sens inverse de rotation. Dans un mode de mise en oeuvre particulier de l'invention, qui est particulièrement intéressant lorsque les outils de coupe sont constitués de matériaux sensibles aux chocs, ce qui est par exemple le cas des outils à pointe de carbure, on dispose en amont de l'entrée de commande de vitesse 7, un régulateur de pression réglable. On peut ainsi ajuster, en fonction des paramètres de travail, le couple d'entraînement au démarrage de l'outil de coupe. REVENDICATIONS 1 - Dispositif d'asservissement, notamment pour les systèmes d'entraînement de têtes de forage, comprenant au moins un moteur hydraulique (1), alimenté en puissance par une source de fluide hydraulique sous pression (9), la vitesse de ce moteur étant variable et réglable en fonction d'une pression hydraulique variable et réglable appliquée à une entrée de commande de vitesse (7) de ce moteur (1), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour faire varier de façon contrôlée la pression appliquée à l'entrée de commande de vitesse (7) dudit moteur (1) comprenant - des moyens d'alimentation (9) en fluide sous pression, - des moyens de régulation (13) de la pression et/ou du débit de fluide hydraulique fourni par les susdits moyens d'alimentation, qui sont reliés à l'entrée de commande de vitesse (7) dudit moteur (1), - des moyens (16) aptes à créer une perte de charge, de valeur variable et contrôlée, entre la sortie (s) des moyens de régulation de débit (13) et l'entrée de commande de vitesse (7) du moteur (1), de façon à faire varier, de façon contrôlée, la pression appliquée à ladite entrée de commande de vitesse (7) du moteur (1). 2 - Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le moteur hydraulique (1) est constitué d'un moteur à cylindrée variable comportant une entrée de commande de cylindrée (7). 3 - Dispositif suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte deux moteurs (1) à cylindrée variable, alimentés en parallèle par ladite source de fluide hydraulique sous pression, l'entrée de commande de cylindrée (7) de chacun de ces moteurs étant reliée à ladite perte de charge de valeur variable et contrôlée. 4 - Dispositif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation en fluide hydraulique sous pression sont constitués par l'alimentation hydraulique de puissance du moteur (1). 5 - Dispositif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens aptes à réaliser une perte de charge sont constitués d'un dispositif limiteur de pression ou de débit (16). 6 - Dispositif suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte, en amont des moyens de régulation (13) du fluide hydraulique, un sélecteur de circuit (15), apte à occuper deux positions, à savoir une première position, ou position de repos, dans laquelle il relie l'entrée (e) des moyens de régulation de débit (13) à un réservoir de fluide (14a), et une seconde position, ou position travail, dans laquelle il relie l'entrée (e) des moyens de régulation de débit (13) aux moyens d'alimentation en fluide sous pression (9). 7 - Dispositif suivant la revendication 6 caractérisé en ce que le sélecteur de circuit (15) est pourvu de moyens de commande hydrauliques (10), aptes à le mettre en position de repos lorsqu'il n'est soumis à aucune pression, et en position de travail lorsqu'il est soumis à pression. 8 - Dispositif suivant la revendication 6 caractérisé en ce que le sélecteur de circuit (15) comporte des moyens élastiques aptes à le positionner en position de repos, lorsque ses moyens de commande (10) ne sont soumis à aucune pression. 9 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un élément régulateur de pression réglable est disposé en amont de l'entrée de commande de vitesse (7).