Brevet FR2713975A1 — publié le 19950623

MARTEAU FRAPPEUR MANOEUVRÉ PAR UN FLUIDE. L'invention concerne un marteau frappeur, manoeuvré par un fluide, pour faire pénétrer des objets dans le sol. et en particulier un marteau frappeur avec lequel on puisse faire pénétrer dans le sol un train de tiges de forage. A partir des documents DE-A-25 12 731 et DE-A-24 61 633, on connaît des marteaux frappeurs hydrauliques qui présentent un piston de travail qui peut se déplacer dans un cylindre de travail. Le piston de travail exécute une course de travail à l'extrémité de laquelle il frappe sur une enclume reliée à la tige de forage, puis une course de retour. Les courses de travail et les courses de retour du piston de travail sont commandées par un piston de commande qui de son côté est commandé en fonction de la position respective du piston de travail. Des marteaux frappeurs de ce type conviennent pour faire efficacement pénétrer des objets dans le terrain. Des difficultés apparaissent fréquemment lorsque l'on doit à nouveau extraire hors du sol les objets, comme par exemple des tubes de forage. A l'extrémité inférieure d'un train de tiges de forage se trouve une couronne conique de forage. Lors de l'extraction du train de tiges de forage, cette couronne de forage s'accroche dans le trou de forage avec un effet de cheville. Habituellement, lors de l'extraction, on manoeuvre alors le marteau frappeur pour mettre la tige de forage en vibration et libérer le tube. A partir du document DE-A-41 13 321, on connaît un marteau frappeur pour tige de forage dans le cas duquel on peut inverser le sens de la frappe du marteau frappeur par inversion du mécanisme de frappe. Cette solution suppose que le carter est prévu ouvert aux deux extrémités. L'inversion du mécanisme de frappe nécessite une importante dépense de montage et ne peut que difficilement s'effectuer sur le chantier en pratique. L'invention a pour but de créer un marteau frappeur manoeuvré par un fluide qui, sans travaux d'adaptation, soit utilisable aussi bien pour faire pénétrer des objets dans le terrain que pour les en extraire. Selon l'invention, on atteint ce but avec un marteau frappeur manoeuvré par un fluide pour faire pénétrer des objets dans le sol, comportant un carter de marteau qui contient un cylindre de travail dans lequel un piston de travail peut se déplacer. un dispositif de commande pour envoyer du fluide sous pression dans le cylindre de travail de façon que le piston de travail exécute alternativement des courses de travail dirigées vers l'avant et des courses de retour, le piston de travail frappant, lors de la course de travail, contre une surface d'enclume d'un adaptateur qui peut se relier à l'objet à faire pénétrer, caractérisé par le fait qu'est prévu un piston de contre- frappe, qui exécute des frappes sur une surface de contre-frappe de l'adaptateur orientée en sens opposé à la surface d'enclume. En plus du piston de travail, le marteau frappeur conforme à l'invention présente un piston de contre-frappe qui agit sur l'adaptateur et exécute des contre-frappes sur celui-ci. Naturellement, ces contres-frappes ne sont exécutées que soit lorsque le piston de travail est arrêté soit lorsqu'il exécute sa course de retour. Lorsque le marteau de forage est en service, il est donc possible de maintenir activé en permanence le piston de contre- frappe ou de le mettre hors circuit. Lors d'une frappe en retour, ce ne sont pas seulement des vibrations que l'on produit, mais des frappes orientées vers l'arrière, ce qui facilite la libération de l'objet à extraire. L'invention peut en particulier s'appliquer lors du forage avec un train de tiges de forage rotatives, mais elle convient également pour faire pénétrer et extraire d'autres objets, par exemple des palplanches. De préférence, le marteau frappeur est disposé, en tant que marteau extérieur, à l'extrémité arrière d'un train de tiges de forage, mais il peut également être conçu en tant que marteau enterré, disposé dans un train de tiges de forage, près de la couronne de forage. On explique ci-dessous en détail les exemples de réalisation de l'invention en se référant aux dessins. La figure 1 est une coupe longitudinale schématique d'une première forme de réalisation du marteau frappeur dans le cas de laquelle le piston de contre-frappe exécute des frappes à contretemps du piston de travail et la figure 2 représente une forme de réalisation variante dans le cas de laquelle le piston de contre-frappe est commandé par un dispositif de commande propre. Le marteau de forage représenté sur la figure I présente un carter de marteau 20 dans lequel est contenu un cylindre de travail 21. Dans le-cylindre de travail 21 est guidé le piston de travail 22. L'extrémité avant du piston de travail 22 frappe sur une surface d'enclume 23 d'un adaptateur 24 qui est guidé dans le carter de marteau 20 avec liberté de coulisser longitudinalement entre des limites. L'adaptateur 24 est l'extrémité d'enfichage qui dépasse hors du carter de marteau 10 et peut se fixer sur une tige de forage. Par "avant" est désigné le sens qui va vers la tige de forage et par "arrière", le sens opposé. Le piston de travail 22 présente une surface de travail 25 de forme annulaire orientée vers l'avant, qui limite l'espace cylindrique avant de forme annulaire 26. Cet espace cylindrique 26 est relié en permanence, par l'intermédiaire d'une conduite 27, à une conduite sous pression 10. La surface de travail 25 limite un tronçon épaissi 28 du piston de travail. L'autre limite du tronçon 28 est formée par une surface de travail 29 à laquelle se raccorde un tronçon plus mince 30. Derrière le tronçon plus mince 30 vient suivre à nouveau un tronçon plus épais 31 dont l'extrémité arrière est formée par une surface de travail 32. La surface de travail 32 limite l'espace cylindrique arrière 33 du cylindre de travail 21. La surface de travail 32 est plus grande que la surface de travail 25. La surface de travail 25 se déplace le long d'une rainure de commande 34 dans l'espace cylindrique avant 26. La surface de travail 29 se déplace le long d'une rainure de commande 35. Dans la zone du tronçon plus mince 30 du piston de travail débouche dans le cylindre de travail 21 une conduite 36 reliée à la conduite de retour 12. Les rainures de commande 34 et 35 sont reliées à une conduite de commande 37. L'espace cylindrique arrière 33 du cylindre de travail est relié à une conduite de service 38. La commande du piston de travail 22 se fait par le piston de commande 41 qui peut se déplacer dans le cylindre de commande 40. Le piston de commande 41 a la forme d'une douille creuse. Du fait que le cylindre de commande 40 est relié à la conduite sous pression 27. il règne en permanence à l'intérieur du piston de commande 41 la pleine pression hydraulique. Le piston de commande 41 présente à une extrémité une première surface de travail A I qui est exposée en permanence à la pression et présente des gorges radiales de sorte que la pression peut agir sur elle. A I'extrémité opposée du piston de travail se trouve une seconde surface de travail A2 qui est plus petite que la surface de travail A1. Le piston de commande présente un collet annulaire 42 qui est limité à une extrémité par une surface de commande A3 et à l'extrémité opposée par une surface A4 qui est en permanence hors pression, étant reliée à la conduite de retour 12. La surface de commande A3 est exposée à la pression de la conduite de commande 37. Le piston de commande 41 présente en outre une rainure annulaire 43 qui, dans chaque position du piston de travail, est reliée à la conduite de retour 12. La conduite sous pression 27 est un réservoir 44 de gaz sous pression qui est relié en tant que tampon pour lisser les coups de bélier hydrauliques. L'appareil de frappe décrit jusqu'ici travaille comme suit: Dans l'état représenté sur la figure 1, la conduite de service 38 est reliée avec la conduite sous pression 27 par l'intermédiaire de l'intérieur du piston de commande 41 de sorte que la pleine pression agit sur la surface de travail 32. Etant donné que la surface de travail 32 est plus grande que la surface de travail 25, sur laquelle agit également la pleine pression, le piston de travail 22 exécute sa course de travail dirigée vers l'avant à l'extrémité de laquelle il frappe sur la surface d'enclume 23. Dès que la surface de commande a dépassé la rainure de commande 34, la conduite de commande 37 est déconnectée d'avec la conduite sous pression 27. Lorsque la surface de commande 29 a dépassé la rainure de commande 35, la conduite de commande 37 est reliée avec la conduite 36 par l'intermédiaire de la rainure 35 et elle est donc hors pression. Par conséquent, sur la surface de commande A3 du piston de commande 41 ne s'exerce plus aucune pression. Le piston de commande est ramené en arrière puisque la force exercée sur la surface de travail A I dépasse la force exercée par la même pression sur la surface de travail A2. Lorsque le piston de commande a atteint sa position extrême supérieure, la conduite de service 38 est déconnectée d'avec la pression d'alimentation et, par l'intermédiaire de la rainure annulaire 43, elle est reliée avec la conduite de retour 12. De ce fait c'est la course de retour du piston de travail 22 qui s'opère. Dès que, lors de la course de retour, la rainure 35 est verrouillée par la portion épaissie 28 du piston et que la rainure 34 est libérée par la surface de travail 25, il apparaît dans la conduite de commande 37 la pleine pression qui agit sur la surface de commande A3 et entraîne le piston de commande à la position extrême inférieure. La somme de la surface de travail A2 et de la surface de travail A3 est plus grande que la surface de travail A1. Supposons que l'on pousse vers l'avant le carter 20 pour faire avancer le train de tiges de forage. Le train de tiges de forage s'appuie sur le fond du trou de forage de sorte que l'adaptateur 24 est repoussé dans l'intérieur du carter 20. Ce déplacement axial de l'adaptateur 24 est limité par la denture en clavette 45 de l'adaptateur 24. Cette denture en clavette peut se déplacer entre certaines limites dans un espace creux 46 du carter 20. Dans les rainures de clavette engrène un mécanisme d'entraînement (non représenté) pour entraîner en rotation l'adaptateur 24 et, par son intermédiaire, la tige de forage. Lorsque l'on fait avancer le carter 20, l'adaptateur 24 se trouve dans sa position extrême arrière dans laquelle le piston de travail 22 exécute des frappes sur la surface d'enclume 23. A chaque frappe, l'adaptateur 24 peut se déplacer dans le sens axial à l'intérieur de l'espace libre formé par l'espace creux 46. Si par contre, on fait reculer le carter 20, la denture de clavette 45 prend sa position extrême avant à l'intérieur de l'espace creux 46. Cette position extrême avant est limitée par un écarteur 47 qui a la forme d'une douille tubulaire et qui entoure l'adaptateur 24. L'écarteur 47 s'appuie contre la surface frontale avant du carter 20 et son extrémité arrière 48 sert d'épaulement d'appui pour limiter le déplacement de l'adaptateur 24 vers l'avant. L'écarteur 47 est entouré par le piston de contre-frappe 50 qui glisse le long de la douille. Le piston de contre-frappe 50 présente un tronçon 51 de diamètre extérieur agrandi. Le tronçon 51 est limité par une surface de travail 52 à l'opposé de laquelle se trouve une surface de commande 53. Le piston de contre-frappe 50 peut coulisser dans un cylindre de contre-frappe 54 du carter 20. L'espace cylindrique avant, limité par la surface de travail 52, est relié par l'intermédiaire d'une conduite 55 à la conduite sous pression 10 et il est donc exposé en permanence à la pleine pression. L'espace cylindrique arrière, qui est limité par la surface de commande 53, est relié, par l'intermédiaire d'une conduite de commande 56. avec l'espace cylindrique 33 du cylindre de travail ou avec la conduite de service 38. La surface de commande 53 a une section plus grande que la surface de travail 52. Pendant la course de retour du piston de travail 22, l'espace cylindrique arrière 33 du cylindre de travail est hors pression, de sorte que la surface de commande arrière 53 du piston de contre- frappe 50 est également hors pression et que le piston de contre- frappe frappe sur le collet existant à l'extrémité arrière 48 de l'écarteur en forme de douille 47. De la façon décrite, le piston de contre-frappe 50 est commandé, en commun avec le piston de travail 22, par le dispositif de commande 40. 41. La commande des deux pistons se fait avec un déphasage de 180 . Ceci signifie que le piston de contre-frappe 50 exécute sa frappe pendant que le piston de travail 22 exécute sa course de retour. On évite ainsi que les frappes du piston de contre- frappe réduisent l'énergie de frappe du piston de travail. Il faut tenir compte en outre de ce que, lors d'une avance du train de tiges de forage fixé à l'adaptateur 24, une force d'avance agit sur le carter 20 de sorte que la surface de frappe arrière 57 de la denture de clavette s'appuie contre une surface de limitation 58, orientée vers l'avant, de l'espace creux 46, de sorte que l'écarteur 47, sur l'extrémité 48 duquel frappe le piston de contre-frappe 50, a un jeu de déplacement axial. On évite ainsi que lors de l'avance du train de tiges, les frappes du piston de contre-frappe 50 agissent sur l'adaptateur 24 et donc sur le train de tiges de forage. Par contre. lorsque l'on fait reculer le carter 20, la surface de contrefrappe avant 59 de la denture de clavette 45 s'appuie contre la surface d'extrémité arrière 60 de l'écarteur 47. Les frappes du piston de contre-frappe 50 sont transmises, par l'intermédiaire de l'extrémité arrière 48 de l'adaptateur, sur la surface de contre-frappe 59 de l'adaptateur 24. Lorsque l'on fait reculer le carter 20, le piston de travail 22 est également en service. Mais les frappes de ce piston de travail ne parviennent pas sur la surface d'enclume 23 de l'adaptateur 24, ou bien seulement avec une énergie assez faible, puisque l'adaptateur se trouve, dans le carter, en position avancée. Pour résumer il faut constater que le piston de travail 22 et le piston de contre-frappe 50 sont toujours tous les deux simultanément en service, mais que, lorsque l'on fait avancer le carter, seules les frappes du piston de travail 22 sont transmises à l'adaptateur 24 et que lorsque l'on fait reculer le carter, seules les frappes du piston de contre-frappe 50 sont transmises à l'adaptateur 24. L'exemple de réalisation de la figure 2 est largement égal à celui de la figure 1, le piston de travail et le dispositif de commande pour ce piston de travail n'étant pas représentés sur la figure 2. Ce qui est différent, c'est que le piston de contre-frappe 50a de la figure 2 présente un dispositif de commande propre 70 qui est indépendant du dispositif de commande 40, 41 du piston de travail. Le piston de contre-frappe 50a présente une arête de commande 71 qui est orientée vers l'avant et sur laquelle agit la pression d'une conduite de service 72. En outre, le piston de contre-frappe présente une arête de travail 73 qui est orientée vers l'arrière et qui est exposée à la pression d'une conduite 74 reliée à une conduite sous pression 10a. Le piston de contre-frappe 50a présente en outre une rainure périphérique allongée 75 qui, en toute position du piston de contre-frappe, se trouve dans la zone d'une conduite 76 reliée à la conduite de retour 12. En outre, une conduite de commande 77 va du cylindre de contre-frappe 54a au dispositif de commande 70. De la conduite 77, une conduite d'embranchement 78 conduit au cylindre de contre-frappe 54a au voisinage de la conduite 74. La surface de commande 71 a une surface plus grande que la surface de travail 73, exposée en permanence à la haute pression. Lorsque la conduite 72 est hors pression, le piston de contre-frappe a se déplace vers l'avant. La conduite 77 est alors déconnectée de la rainure 75 et de la conduite de retour 76 tandis que la conduite de dérivation 78 est sous pression. La pression régnant dans la conduite de commande 77 fait passer le piston de commande 80 dans la position dans laquelle la conduite de service 72 est mise sous pression. De ce fait le piston de contre-frappe est accéléré pour frapper sur l'extrémité 48 de l'écarteur 47 et cette frappe est transmise à la surface de contre-frappe 59 de l'adaptateur 24. Lorsque le piston de contre-frappe 50a parvient dans sa position extrême arrière, la rainure 75 relie la conduite 77 avec la conduite hors pression 76 et la conduite de dérivation 78 est verrouillée. De ce fait la conduite de commande 77 passe hors pression et le piston de commande 80 se décale dans la position dans laquelle il relie la conduite de service 72 avec la conduite de retour 12. Le piston de contre-frappe 50a a non seulement un dispositif de commande propre 70, mais aussi un réservoir de gaz sous pression propre 81 relié à la conduite sous pression lia. Selon la figure 2, est prévu un dispositif d'inversion 85, sous forme d'un robinet qui relie une conduite sous pression 14, venant d'une source de pression, soit avec la conduite sous pression 10 qui conduit au cylindre de travail 21, soit avec la conduite sous pression 10a qui conduit au cylindre de contre-frappe 54a. Dans la position représentée du dispositif d'inversion 85, la conduite sous pression est reliée à la conduite 14. Il en résulte que seul le piston de travail 22 agit tandis que le piston de contre-frappe 50a est hors circuit. Lorsque l'on fait passer le dispositif d'inversion 85 dans l'autre position, c'est le piston de travail 22 qui devient inactif et le piston de contre-frappe 50a qui devient actif. Il est intéressant que le dispositif d'inversion 85 agisse en fonction du mouvement du dispositif d'avance qui fait soit avancer soit reculer le carter 20 du marteau. Lorsque le dispositif d'avance passe sur avance, alors le dispositif d'inversion 85 passe automatiquement dans la position représentée sur la figure 2 et lorsque le dispositif d'avance passe sur recul, alors le dispositif d'inversion 25 commute de façon à relier la conduite sous pression l0a avec la conduite 14. REVENDICATIONS 1. Marteau frappeur manoeuvré par un fluide pour faire pénétrer des objets dans le sol, comportant un carter de marteau (20) qui contient un cylindre de travail (21) dans lequel un piston de travail (22) peut se déplacer, un dispositif de commande (40, 41) pour envoyer du fluide sous pression dans le cylindre de travail (21) de façon que le piston de travail (22) exécute alternativement des courses de travail dirigées vers l'avant et des courses de retour, le piston de travail (22) frappant, lors de la course de travail, contre une surface d'enclume (23) d'un adaptateur (24) qui peut se relier à l'objet à faire pénétrer, caractérisé par le fait qu'est prévu un piston de contre-frappe (50;50a), qui exécute des frappes sur une surface de contre-frappe (59) de l'adaptateur (24) orientée en sens opposé à la surface d'enclume (23). 2. Marteau frappeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'adaptateur (24) est guidé dans le carter de marteau (20) avec un jeu longitudinal, qu'est prévu un écarteur (47) qui limite la course de frappe de l'adaptateur (24) et que le piston de contre- frappe (50:50a) est conçu sous forme d'un piston annulaire qui entoure l'adaptateur (24) et l'écarteur (47). 3. Marteau frappeur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le piston de contre-frappe (50) est commandé, en commun avec le piston de travail (22), par le même dispositif de commande (40, 41). 4. Marteau frappeur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le piston de contre-frappe (50a) est commandé par un dispositif de commande propre (70) indépendamment de la commande du piston de travail (22). 5. Marteau frappeur selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'est prévu un dispositif d'inversion (85) qui active soit le dispositif de commande (40, 41) du piston de travail (22) soit le dispositif de commande (70) du piston de contre-frappe (50a). 1l 6. Marteau frappeur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la surface de contre-frappe (59) est la surface d'extrémité d'une denture de clavette (45) avec laquelle engrène un mécanisme de rotation pour entraîner en rotation l'adaptateur (24).