Brevet FR2758853A1 — publié le 19980731

L'invention concerne un ensemble d'outillage d'une machine de creusement de tunnel permettant de faciliter le changement de l'outil de l'ensemble d'outillage. On connaît des machines de creusement de tunnel appelées tunneliers, qui comportent une structure mobile de grandes dimensions appelée bouclier ayant une section sensiblement circulaire dont le diamètre correspond au diamètre du tunnel dont on réalise le creusement. La partie antérieure du bouclier, qui vient en contact avec le front de taille pour réaliser le découpage de la formation traversée par le tunnel, présente la forme générale d'une plaque circulaire de même diamètre que l'enveloppe cylindrique du bouclier, sur laquelle sont montés des outils de coupe généralement constitués par des molettes en forme de disques ayant un bord circulaire tranchant. Les molettes sont montées librement rotatives sur un axe lui-même fixé dans un porte-outil ayant la forme d'une cage généralement rectangulaire. L'ensemble d'outillage constitué par la molette, le porte-outil et un arbre fixé dans le porte-outil sur lequel la molette est montée rotative, constitue un ensemble d'outillage qui est fixé, généralement par soudure, sur la tête de coupe. Pendant l'avancement du tunnelier à l'intérieur de la formation, les outils de coupe subissent une usure, de sorte qu'il est nécessaire de les remplacer après un certain temps de fonctionnement ou après une certaine longueur d'avancement du tunnel. Le remplacement des outils de coupe doit être réalisé par le côté interne, c'est-à-dire opposé au font de taille, de la tête de coupe. Le montage de l'outil sur le porte-outil doit permettre un remplacement facile et rapide des outils de coupe pour éviter une trop longue immobilisation de la machine. L'arbre sur lequel la molette est montée rotative comporte deux bouts d'arbre situés de part et d'autre de la molette qui sont fixés à l'intérieur de logements ménagés dans le porte-outil et débouchant du côté interne de la tête de coupe, par l'intermédiaire de dispositifs de fixation amovibles. Pour effectuer le remplacement d'un outil, on démonte les dispositifs de fixation amovibles des bouts d'arbre de l'outil, on extrait l'outil du porte-outil et on met en place un nouvel outil qui est fixé sur le porte-outil par l'intermédiaire des dispositifs de fixation. De manière habituelle, on réalise la fixation de l'outil sur le porte-outil en utilisant des dispositifs de serrage munis de moyens de vissage. En particulier, on peut réaliser la fixation de l'outil dans le porte-outil par l'intermédiaire de pièces de serrage des bouts d'arbre de l'arbre de l'outil dans les côtés latéraux du porte-outil en forme de cage. Les dispositif de serrage peuvent comporter en particulier une tige filetée montée pivotante sur le porte-outil, un coin de serrage engagé sur la tige pivotante et un écrou de serrage. Des dispositifs de fixation d'outil suivant l'art antérieur, qui comportent des moyens de liaison vissés, peuvent être difficiles à démonter après une période d'utilisation correspondant à la durée de vie d'un outil de coupe. Les coins de serrage et les surfaces d'appui de l'arbre de l'outil peuvent être matés et même soudés du fait des très fortes pressions mises en jeu pendant l'utilisation de l'outil. Les pièces filetées ou les trous taraudés mis en oeuvre par ces moyens de fixation vissés peuvent être endommagés, ce qui complique considérablement le changement d'outil et nécessite de refaire les moyens de liaison par vissage et par exemple les taraudages ; il faut alors prévoir des moyens de réparation et d'usinage. Les opérations de réparation et de réfection des moyens de fixation des outils allongent la durée nécessaire pour le remplacement des outils de la tête de coupe et en conséquence, le temps pendant lequel le tunnelier est indisponible. En outre, les dispositifs de fixation connus nécessitent un usinage précis des surfaces coopérantes de l'outil et du porte-outil pour éviter tout jeu qui provoquerait une détérioration rapide de ces surfaces et un montage défectueux des outils. Dans le cas d'une détérioration concernant non seulement les outils mais encore le porte-outil, il est nécessaire d'effectuer le remplacement des porte-outils, ce qui est une opération longue et onéreuse. Dans tous les cas, on allonge l'immobilisation du tunnelier. Du fait que la tête de coupe comporte un grand nombre d'outils (100 à 150 outils) et qu'il est nécessaire de contrôler et éventuellement de changer ces outils après une période d'utilisation relativement courte qui peut correspondre, par exemple à un creusement d'une longueur de tunnel de l'ordre de 300 mètres, il est souhaitable de disposer de moyens de fixation amovibles des outils sur les porte-outils qui permettent un changement facile et rapide des outils, sans utiliser d'outillages ou de moyens d'usinage spécialement affectés à cet usage. I1 est particulièrement nécessaire de disposer de moyens de changement d'outils qui soient d'utilisation facile et rapide, dans le cas où l'on opère en milieu hyperbare, afin de réduire le temps d'intervention du personnel chargé de la maintenance du tunnelier. Dans tous les cas, les opérations de contrôle et de remplacement des outils de la tête de coupe constituent les principales opérations de maintenance du tunnelier, pendant le creusement du tunnel. I1 est donc souhaitable de réduire au maximum le temps nécessaire pour effectuer ces opérations de contrôle et de remplacement qui portent sur un grand nombre d'ensembles d'outillage comportant chacun au moins un outil de coupe. Le but de l'invention est donc de proposer un ensemble d'outillage d'une machine de creusement de tunnels comportant une tête de coupe sur laquelle sont fixés une pluralité d'ensembles d'outillage qui comportent chacun un porte-outil ayant la forme d'une cage et au moins un outil constitué par une molette montée rotative sur un arbre ayant deux bouts d'arbre de part et d'autre de la molette engagés chacun dans un logement ménagé dans un montant latéral respectif du porte-outil et débouchant sur un côté de la tête de coupe et fixés chacun à l'intérieur du logement par un moyen de fixation amovible, cet ensemble d'outillage étant réalisé de manière que le remplacement de l'outil puisse être effectué facilement et rapidement et que le moyen de fixation amovible de l'outil ne comporte pas de surface ou de pièce nécessitant un usinage de précision et qui puisse être détériorée pendant l'utilisation de la machine de creusement de tunnels. Dans ce but, les bouts d'arbre de l'arbre de la molette ont une forme prismatique droite, les logements respectifs des bouts d'arbre présentent des faces d'appui d'au moins deux faces du bout d'arbre correspondant et les moyens de fixation amovibles des bouts d'arbre sont constitués chacun par au moins une came montée rotative de manière excentrée sur la cage autour d'un axe parallèle au bout d'arbre, entre une position de libération de l'outil dans laquelle la came laisse un passage pour le bout d'arbre de l'outil dans le logement et une position de blocage de l'outil dans laquelle chacune des cames est bloquée en appui contre une face respective d'un bout d'arbre. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, en se référant aux figures jointes en annexe, une tête de coupe d'une machine de creusement de tunnel et un ensemble d'outillage suivant l'invention de cette tête de coupe. La figure 1 est une vue de face en élévation d'une tête de coupe d'une machine de creusement de tunnel. La figure 2 est une vue en coupe suivant 2-2 de la figure 1 de la tête de coupe et de la partie antérieure du bouclier de la machine de creusement de tunnel. La figure 3 est une vue de face en élévation d'un ensemble d'outillage suivant l'invention, de la tête de coupe représentée sur la figure 1. La figure 4 est une vue de dessus suivant 4 de la figure 3. La figure 5 est une vue en coupe suivant 5-5 de la figure 4. La figure 5A est une vue en coupe d'un détail de la figure 5. La figure 5B est une vue latérale de l'axe d'une came de fixation de l'outil de l'ensemble d'outillage représenté sur la figure 5. La figure 6 est une vue analogue à la vue de la figure 4 montrant les cames de fixation de l'outil en position écartée pour réaliser un changement d'outil. La figure 7 est une vue en perspective d'un outil d'un ensemble d'outillage suivant l'invention. Sur la figure 1, on voit une tête de coupe d'une machine de creusement de tunnel désignée de manière générale par le repère 1. Comme il est visible sur la figure 2, la tête de coupe 1 constitue la partie antérieure du bouclier 2 de la machine de creusement de tunnel qui comporte un corps cylindrique à l'intérieur duquel sont disposés en particulier, un dispositif d'évacuation 3 du matériau arraché à la formation par la tête de coupe et des moyens de montage rotatifs et de mise en rotation de la tête de coupe 1 autour de l'axe horizontal du tunnelier. La tête de coupe, qui présente de manière générale la forme d'une plaque plane circulaire légèrement arrondie suivant ses bords, présente des ouvertures traversantes au niveau de chacune desquelles est placé un ensemble d'outillage 4 comportant un outil de coupe sous la forme d'une molette 5a venant en saillie par rapport à la face antérieure de la tête de coupe pour assurer le découpage de la formation traversée par le tunnel lors de la rotation et de l'avancement de la tête de coupe. Sur la figure 1, on a représenté une partie des ensembles d'outillage de la tête de coupe 1, la tête de coupe comportant de 100 à 150 ensembles d'outillage de coupe comportant chacun une molette 5a. Sur la figure 3, on a représenté un ensemble d'outillage désigné de manière générale par le repère 4 comportant un porte-outil 6 et l'outil de coupe 5 monté dans le porte-outil et comportant, comme élément actif, un disque de coupe ou molette 5a disposé dans l'ouverture centrale du support 6 réalisé sous la forme d'une cage. La molette 5a est montée rotative sur un arbre 7 présentant deux bouts d'arbre 7a et 7b fixés à l'intérieur des montants latéraux 6a et 6b du support 6 en forme de cage. Comme il est visible sur la figure 7, l'arbre 7 de l'outil comporte une partie centrale de forme cylindrique sur laquelle la molette 5a est montée rotative. Les bouts d'arbre 7a et 7b, placés de part et d'autre de la molette 5a, ont une forme prismatique droite à section carrée. Comme il est visible en particulier sur la figure 4, les montants de la cage, tels que le montant 6a, comportent un logement 8 débouchant sur l'un des côtés du montant dirigé vers la face interne de la tête de coupe, c'est-à-dire la face de la tête de coupe opposée au front de taille de la formation dans laquelle on réalise le tunnel, lorsque l'ensemble d'outillage est monté sur la tête de coupe. Le logement 8 comporte, à l'intérieur du montant 6a, une partie d'extrémité constituée de deux surfaces d'appui 9a et 9b faisant entre elles un angle de 90". La partie du logement 8 joignant le côté interne du montant 6a aux surfaces d'appui 9a et 9b du fond du logement présente une largeur sensiblement constante dont la dimension est supérieure à la longueur de la diagonale de la section du bout d'arbre 7a. Les bouts d'arbre 7a et 7b de l'outil 5 peuvent être engagés dans les logements 8 dans leur orientation représentée sur la figure 4, de manière que deux faces successives des bouts d'arbre viennent en appui sur les surfaces d'appui du logement de réception dans le montant correspondant faisant entre elles un angle de 90". Lorsque l'outil 5 est fixé à l'intérieur du porte-outil 6, comme représenté sur la figure 4, une partie de la molette 5a est en saillie par rapport au côté externe du montant 6a disposé à l'opposé du côté interne et dirigé vers la formation dans laquelle on creuse le tunnel, lorsque l'ensemble d'outillage est monté sur la tête de coupe. A l'intérieur du montant 6a du porte-outil 6 en forme de cage, sont montées rotatives, de part et d'autre de l'ouverture 8 de réception du bout d'arbre 7a, deux cames 10a et 10'a, autour d'axes lla, ll'a parallèles à l'axe 11 de l'outil 7 autour duquel la molette 5a est montée rotative. De même, dans le montant 6b, de part et d'autre de l'ouverture de réception du bout d'arbre 7b, sont montées deux cames 10b, 10'b articulées autour d'axes llb et ll'b parallèles à l'axe 11 de l'outil 7. Comme il est visible sur la figure 4, les cames telles que 10a et 10'a comportent un talon par l'intermédiaire duquel la came est montée pivotante sur le porteoutil et une surface externe courbe convexe terminée par une surface plane d'appui qui vient en appui sur une face du bout d'arbre correspondant de forme prismatique, dans la position de verrouillage de l'outil dans le porteoutil représentée sur les figures 3 et 4. Les surfaces externes courbes des cames articulées dans un même montant telles que les cames 10a et 10'a représentées sur la figure 4 sont alors en vis-à-vis et les surfaces planes terminales des cames sont en appui sur deux faces successives du bout d'arbre 7a faisant entre elles un angle de 90". Le bout d'arbre 7a est en appui par deux faces successives sur les surfaces d'appui 9a et 9b du montant 6a et par ses deux autres faces sur les surfaces planes des cames 10a et 10'a. Bien entendu, le bout d'arbre 7b est maintenu de la même manière que le bout d'arbre 7a dans le montant 6b, par les cames 10b et 10'b. Lorsque les cames sont bloquées dans leur position de verrouillage, tel que représenté sur les figures 3 et 4, l'arbre 7 est parfaitement fixé et immobilisé à l'intérieur du porte-outil, par l'intermédiaire des bouts d'arbre 7a et 7b. Comme représenté sur les figures 5 et 5A, chacune des cames telles que les cames 10a et lOb est fixée par l'intermédiaire de son talon sur une partie centrale d'un arbre 12 monté rotatif autour d'un axe lia ou llb parallèle à l'axe 11 de l'outil, par l'intermédiaire de deux tourillons placés de part et d'autre de la partie centrale de l'arbre 12 sur laquelle est fixée rigidement la came iOa ou lOb. Sur la figure 5B, on a représenté l'arbre 12 par l'intermédiaire duquel la came 10a est montée pivotante dans le montant 6a du porte-outil. La partie centrale 12a de l'arbre 12 de forme cylindrique, sur laquelle est fixée la came 10a, présente un axe 13a décalé d'une certaine distance par rapport à l'axe lia des tourillons 12b et 12c par l'intermédiaire desquels l'arbre 12 est monté rotatif dans le montant 6a du porte-outil. On assure ainsi un montage excentrique de la came iOa sur l'arbre 12. L'arbre 12 comporte de plus une partie d'extrémité 12d de forme cylindrique comportant une denture sur sa surface latérale. Par l'intermédiaire de la partie d'extrémité 12d de l'arbre 12 ayant une surface d'accrochage dentée, on peut faire pivoter l'arbre 12 monté tourillonnant dans le montant 6a du porte-outil et déplacer la came 10a montée sur l'arbre 12 de manière excentrée, en utilisant un outil venant en prise avec la surface d'accrochage de la partie 12d de l'arbre 12. Lorsque la came iOa est en position de blocage du bout d'arbre 7a de l'outil, comme représenté en particulier sur les figures 4 et 5, on peut réaliser le verrouillage de la came dans sa position de blocage en utilisant une pièce de verrouillage 14 comportant une ouver ture cannelée qui est engagée avec un très faible jeu sur la partie dentée 12d de l'arbre 12. La pièce de verrouillage 14 est ensuite immobilisée par rapport au montant 6a du porte-outil par l'intermédiaire d'une vis de blocage 15. Bien entendu, chacune des cames lOa, lO'a, lOb, lO'b de fixation de l'outil 5 sur le porte-outil 6 est montée de la même manière que la came iota, par l'intermédiaire d'un arbre à excentrique. Pour réaliser le remplacement de l'outil 5 lorsque la molette 5a de l'outil présente une certaine usure, on réalise tout d'abord, par le côté interne de la tête de coupe 1, le dévissage des vis de blocage 15 des pièces de verrouillage 14 des quatre cames de maintien des bouts d'arbre 7a et 7b de l'outil. On fait ensuite tourner les cames 10a entre leur position de verrouillage de l'outil et une position d'ouverture, par exemple en engageant un outil tel qu'une clé sur les parties d'accrochage telles que 12d des arbres de montage pivotant des cames. Sur la figure 6, on a représenté en traits pleins la position d'ouverture des cames lOa et 10'a et en traits interrompus, les cames lOa et lO'a dans leur position de verrouillage du bout d'arbre 7a de l'arbre de l'outil. Pour faire passer les cames de leur position de verrouillage à leur position d'ouverture, on fait pivoter les cames vers l'extérieur, comme représenté par les flèches 16, en faisant tourner les arbres 12 de pivotement des cames en sens inverse l'un par rapport à l'autre. Le déplacement des cames montées de manière excentrée sur les arbres 12 permet leur éloignement l'une de l'autre, de telle sorte que dans la position complète d'ouverture représentée en traits pleins sur la figure 6, la largeur de l'espace libre entre les parties courbes des cames 10a et 10'a est supérieure à la longueur de la diagonale de la section du bout d'arbre 7a. Le bout d'arbre 7a peut alors passer entre les cames, à l'intérieur de l'ouverture 8, comme représenté par la section en traits pleins de l'arbre 7a sur la figure 6. En réalisant une manoeuvre similaire sur les cames lOb et lO'b de maintien du bout d'arbre 7b de l'outil, on peut séparer l'outil 5 du porte-outil 6 en faisant passer les bouts d'arbre 7a et 7b dans les ouvertures 8 correspondantes des montants 6a et 6b. On peut alors engager un outil de remplacement dans le porte-outil, par le côté du porte-outil dirigé vers la surface interne de la tête de coupe, en engageant les bouts d'arbre de l'outil de remplacement dans les ouvertures 8 des montants 6a et 6b du porte-outil 6, pour faire passer les bouts d'arbre de l'outil de remplacement entre les cames en position d'ouverture de manière que deux faces de chacun des bouts d'arbre de forme prismatique faisant entre elles un angle de 90" viennent en appui sur les surfaces d'appui correspondantes à l'extrémité des ouvertures 8 des montants 6a et 6b du porte-outil. On rabat alors les cames en position de verrouillage des bouts d'arbre de l'outil en faisant tourner les arbres 12 de pivotement des cames dans le sens voulu et on réalise le verrouillage des cames dans leur position de fixation de l'outil par l'intermédiaire des pièces de verrouillage 14. Le blocage ou le déblocage des bouts d'arbre par les cames est réalisé sans difficulté, du fait du montage excentrique des cames sur les arbres 12. On peut donc réaliser très rapidement et très facilement le remplacement d'un outil par manoeuvre des quatre cames de verrouillage des bouts d'arbre de l'ou- til. L'outil de remplacement est mis en place sur le porte-outil dans une position parfaitement définie, du fait qu'il vient en position d'appui et de blocage contre des surfaces d'appui des montants du porte-outil et que les cames assurent le verrouillage des bouts d'arbre en appui contre les surfaces d'appui des montants du porteoutil constituant des surfaces de référence. Le dispositif de fixation de l'outil sur le porte-outil ne comporte aucune partie filetée ou taraudée, de sorte que ce dispositif est peu sensible à l'usure et aux détériorations pendant l'utilisation de la tête de coupe du tunnelier. Les opérations de remplacement sont rapides et faciles et nécessitent un outillage très réduit. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit. C'est ainsi que l'ensemble d'outillage suivant l'invention peut comporter un outil dont l'arbre présente des bouts d'arbre de forme prismatique droite dont la section a une forme différente d'un carré. Dans tous les cas, au moins deux faces des extrémités prismatiques de l'arbre de l'outil viennent en contact avec deux surfaces d'appui des montants du porte-outil constituant des surfaces de référence pour un positionnement précis de l'outil par rapport au porte-outil. Les cames peuvent présenter une forme différente de celle qui a été décrite et peuvent être montées de manière différente sur le porte-outil. On peut utiliser éventuellement une seule came pour réaliser le blocage de chacun des bouts d'arbre de l'outil, bien qu'il soit préférable d'utiliser deux cames de blocage de chacun des bouts d'arbre pour des raisons de stabilité et de sécurité. Plusieurs outils peuvent être montés sur un même porte-outil et fixés chacun par un ensemble de cames montées pivotantes sur le porte-outil. L'invention s'applique au cas de tout ensemble d'outillage d'une machine de creusement de tunnel comportant au moins un outil dont il est nécessaire d'effectuer le remplacement après un certain temps de fonctionnement de la machine. REVENDICATIONS 1.- Ensemble d'outillage d'une machine de creusement de tunnel comportant une tête de coupe (1) sur laquelle sont fixés une pluralité d'ensembles d'outillage (4) qui comportent chacun un porte-outil (6) ayant la forme d'une cage et au moins un outil (5) constitué par une molette (5a) montée rotative sur un arbre (7) ayant deux bouts d'arbre (7a, 7b) de part et d'autre de la molette (5a) engagés chacun dans un logement (8) ménagé dans un montant latéral respectif (6a, 6b) du porte-outil (6) et débouchant sur un côté de la tête de coupe (1) et fixés chacun à l'intérieur du logement (8) par un moyen de fixation amovible, caractérisé par le fait que les bouts d'arbres (7a, 7b) de l'arbre (7) de la molette (5) ont une forme prismatique droite, que les logements respectifs (8) des bouts d'arbre (7a, 7b) présentent des faces d'appui (9a, 9b) d'au moins deux faces du bout d'arbre (7a, 7b) correspondant et que les moyens de fixation amovibles (lOa, lOb, 10'a, lO'b) des bouts d'arbre (lOa, lOb) sont constitués chacun par au moins une came (lOa, lO'a, lOb, 10'b) montée rotative de manière excentrée sur le porte-outil (6) autour d'un axe parallèle au bout d'arbre (7a, 7b), entre une position d'ouverture dans laquelle la came (lOa, lO'a, lOb, 10'b) laisse un passage pour le bout d'arbre (7a, 7b) de l'outil (5), à l'intérieur du logement (8) et une position de blocage de l'outil (5) dans laquelle chacune des cames (10a, lO'a, lOb, lO'b) est bloquée en appui contre une face respective d'un bout d'arbre (7a, 7b). 2.- Ensemble d'outillage suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les bouts d'arbre (7a, 7b) ont une section de forme carrée et que les faces d'appui (9a, 9b) des logements des bouts d'arbre (7a, 7b) sont perpendiculaires entre elles. 3.- Ensemble d'outillage suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que chacune des cames (10a, lO'a, lOb, lO'b) est fixée sur une partie (12a) d'un arbre (12) monté rotatif dans le porte-outil (6) autour d'un axe parallèle aux bouts d'arbre de l'outil (5), la partie (12a) de l'arbre (12) sur laquelle est montée la came (10a, 10'a, lOb, lO'b) étant excentrée par rapport à l'axe de rotation de l'arbre (12). 4.- Ensemble d'outillage suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé par le fait qu'il comporte deux paires de cames (lOa, lO'a, lOb, 10'b), l'une des paires de cames (10a, lO'a) assurant le blocage d'un premier bout d'arbre (7a) en appui contre deux surfaces d'appui (9a, 9b) d'un logement (8) d'un premier montant latéral (6a) du porte-outil (6) et une seconde paire de cames (lOb, 10'b) assurant le blocage d'un second bout d'arbre (7b) en appui contre deux surfaces d'appui du logement d'un second montant latéral (6b) du porte-outil (6). 5.- Ensemble d'outillage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que chacune des cames (lOa, lO'a, lOb, 10'b) comporte une surface externe ayant une partie courbe et une partie plane d'appui de la came contre une face du bout d'arbre (7a, 7b) de forme prismatique. 6.- Ensemble d'outillage suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que les arbres (12) sur lesquels sont fixées les cames (10a, lOb, lO'a, lO'b) comportent une partie d'extrémité (12d) comprenant une surface d'accrochage d'un outil ou d'une pièce de verrouillage (14) de l'arbre (12). 7.- Ensemble d'outillage suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que chacun des arbres 12 d'une came (lova, 10'a, lOb, lO'b) comporte une pièce de ver rouillage (14) engagée sur la partie d'extrémité (12d) d'accrochage de l'arbre et comportant un moyen de fixation (15) sur le porte-outil.