Brevet FR2772805A1 — publié le 19990625

- 1 -2772805 La présente invention concerne un dispositif pour la commande asservie de l'amplitude des vibrations d'un vibrateur à moment variable utilisable à l'enfoncement ou fonçage d'objets dans le sol. On sait que le principe même du fonçage par vibration consiste à mettre le sol en vibration par l'intermédiaire de l'objet à enfoncer. En particulier, dans les sols faiblement cohérents, il se produit une fluidisation du sol qui permet l'enfoncement du profilé sous son propre poids et celui du vibrateur qui le coiffe. Habituellement, les vibrateurs servant au fonçage font intervenir au moins deux trains de masselottes excentriques comprenant chacun au moins deux masselottes excentriques montées rotatives autour d'arbres solidaires de deux pignons respectifs qui engrènent l'un avec l'autre de manière à tourner en sens inverse l'un par rapport à l'autre, sous l'effet d'une motorisation pouvant comprendre un ou plusieurs moteurs. La variation du moment vibratoire engendré par les deux trains de masselottes est obtenue au moyen d'un déphaseur apte à engendrer un déphasage angulaire variable entre les mouvements de rotation des deux trains de masselottes. Il s'avère qu'à partir du lieu de fonçage se propagent des vibrations dont l'intensité peut être nocive pour les constructions voisines, en particulier pour - 2 - 2772805 des maçonneries faiblement liaisonnées ou encore des locaux abritant des équipements sensibles aux vibrations tels que des appareils de mesure et/ou des ordinateurs. L'invention a donc plus particulièrement pour but de maîtriser en permanence l'amplitude des vibrations de manière à demeurer en dessous d'un seuil de nocivité des vibrations, ce seuil étant variable en fonction de la nature du sol, de celle des objets à foncer et, éventuellement, de celle des installations à protéger. Elle propose donc un dispositif de commande asservie faisant intervenir au moins un détecteur accélérométrique placé de manière à être directement ou indirectement soumis aux vibrations engendrées par le vibrateur, des moyens pour déduire une valeur représentative de la nocivité des vibrations à partir de données accélérométriques délivrées par le détecteur accélérométrique, des moyens pour saisir une valeur de consigne, et des moyens de traitement électronique associés à des moyens d'actionnement agissant sur la commande de déphasage du déphaseur de manière à maintenir la valeur représentative de la nocivité des vibrations à un niveau inférieur ou égal à la valeur de consigne. Grâce à ces dispositions, à la suite de quelques essais préalables effectués sur le site, l'opérateur peut déterminer une valeur de consigne qui, une fois saisie garantit l'établissement d'une vibration dont l'amplitude est suffisante pour le fonçage mais demeure au-dessous du seuil de nocivité vis-à-vis des installations sensibles voisines. Avantageusement, le détecteur accélérométrique est placé sur la carcasse vibrante du vibrateur. Dans ce cas, ce détecteur pourra être relié aux moyens de traitement électroniques par une liaison filaire. Toutefois, l'invention ne se limite pas à cette solution. En effet, le dispositif selon l'invention peut faire intervenir une centrale accélérométrique équipée de -3 -2772805 moyens électroniques de traitement, destinée à être installée au niveau de la structure à protéger. Dans ce cas, la transmission entre la centrale accélérométrique et les circuits de traitement électroniques pourra être assurée par tout moyen de transmission à distance connu tel que liaison filaire, radio, etc.. Des modes d'exécution de l'invention seront décrits ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: Les figures 1 et 2 sont deux coupes schématiques, respectivement axiales et transversales d'un vibrateur à moment variable; La figure 3 est une coupe axiale schématique illustrant le principe général d'un déphaseur; La figure 4 est un schéma de principe du circuit de commande asservi du déphaseur. Dans l'exemple représenté sur les figures 1 et 2, le vibrateur comprend deux trains 1, 2, de masselottes excentriques montées rotatives au moyen d'arbres Al, A2, A., A', A'2, A',, parallèles à un axe transversal XX' et dont les extrémités s'engagent dans des paliers portés par deux flasques parallèles 3, 4 constituant les deux côtés latéraux d'un boîtier 5. A chacune des masselottes M, M' est associé un pignon P disposé et dimensionné de manière à ce que les pignons P associés à un même train 1, 2 de masselottes M, M' engrènent les uns avec les autres, par couples successifs. Sur la figure 1, on a représenté deux trains 1, 2 de masselottes M, M' comportant chacun un couple d'ensembles masselottes M, M'/pignon P représenté en traits pleins, l'ensemble représenté partiellement en traits interrompus indiquant le mode d'implantation d'un autre couple. -4 -2772805 L'entraînement en rotation des deux trains 1, 2 de masselottes M, M' est assuré au moyen d'une motorisation comportant deux moteurs hydrauliques HI, H2 montés sur le flasque 3 à l'une des extrémités du boîtier 5. Ces deux moteurs HI, H2 entraînent deux arbres de sortie respectifs parallèles passant dans des paliers solidaires des flasques 3, 4 et qui portent chacun deux pignons coaxiaux Pl, P2 - P5, P6. Le pignon Pl engrène avec le pignon P solidaire de la masselotte M' pour effectuer l'entraînement en rotation du train 2. Le pignon P6 engrène avec le pignon P solidaire d'une masselotte M pour effectuer l'entraînement en rotation du train 1. Pour engendrer une variation d'amplitude du moment vibratoire, le vibrateur comprend en outre un déphaseur 7 à commande hydraulique comprenant: - un arbre menant portant un pignon P3 engrenant avec un pignon P5 solidaire de l'arbre de sortie du moteur H2, et - un arbre mené portant un pignon P4 engrenant avec un pignon P2 solidaire de l'arbre de sortie du moteur HI. Bien entendu, l'invention ne se limite pas à cette disposition: Le pignon P3 pourrait par exemple engrener avec l'un quelconque des pignons P associés aux masselottes M du train 1, tandis que le pignon P4 pourrait engrener avec l'un quelconque des pignons P associés aux masselottes M' du train 2. Tel que représenté sur la figure 3, le déphaseur 7 se compose d'une structure fixe 9, en partie cylindrique solidaire des flasques 3, 4. -5- 2772805 A l'intérieur de cette structure 9 sont montés rotatifs deux arbres coaxiaux, à savoir: - un arbre central épaulé (arbre menant 6) qui porte, au niveau de son extrémité adjacente au flasque 4, le pignon P3, - un arbre tubulaire (arbre mené 8), monté rotatif autour de l'arbre épaulé 6 et qui porte, axialement décalé par rapport au pignon P3, le pignon P4. Au niveau de la partie cylindrique 10 de la structure 9, l'arbre tubulaire 8 comprend une surface intérieure cylindrique présentant successivement une partie lisse 11 et une partie taraudée à dentures hélicoïdales 12. Cette surface intérieure cylindrique délimite, avec une surface cylindrique de l'arbre épaulé 6, un espace annulaire 13 refermé, d'un côté, par un palier 14 assurant le montage rotatif et étanche de l'un des deux arbres 6, 8 par rapport à l'autre et, de l'autre côté, par un fond 15 solidaire de l'arbre 8 au travers duquel passe l'arbre 6 avec étanchéité. La surface cylindrique de l'arbre 6 comprend successivement une partie lisse 16 et une partie filetée 17 à dentures hélicoïdales. A l'intérieur de l'espace annulaire 13 est disposé un piston annulaire 20 comprenant: - une surface extérieure cylindrique comportant une partie lisse 21 qui coulisse avec étanchéité sur la partie lisse 11 et une partie filetée 22 qui engrène sur la partie taraudée 12; - une surface intérieure cylindrique comprenant une partie lisse 23 qui coulisse avec étanchéité sur la partie lisse de l'arbre 6 et une partie taraudée 24 dont les dentures hélicoïdales sont en prise sur les dentures de la partie filetée 17. - 6 - 2772805 L'espace E1 compris entre le piston 20, le fond 15 et les deux arbres 6, 8, constitue une première chambre de travail (chambre de travail principale) dans laquelle un fluide hydraulique peut être admis grâce à un canal axial 25 réalisé dans l'arbre 6. Ce canal axial 25 débouche dans un joint tournant 26 prévu en bout de l'arbre 6 et dont la partie fixe est solidaire de la structure 9. Cette partie fixe comprend un manchon de raccord 27 sur lequel peut venir se connecter le conduit d'un circuit hydraulique de commande du déphaseur. De même, l'espace E2 compris entre le piston 20, le palier 14 et les deux arbres 6, 8, constitue une deuxième chambre de travail dans laquelle du fluide hydraulique peut être admis grâce à un canal axial 28 réalisé dans l'arbre 6. Ce canal débouche dans un joint tournant 29 prévu en bout de l'arbre 6 et dont la partie fixe qui est solidaire de la structure 9 constitue un manchon de raccord 30. Le fonctionnement de ce déphaseur est alors le suivant: En l'absence de pression à l'intérieur des chambres de travail El et E2, le couple d'entraînement en rotation du train 1 de masselottes M provoque un double phénomène de vissage entre le piston 20 et les arbres 6, 8. Ce vissage provoque alors un déplacement axial du piston 20 jusqu'à ce qu'il vienne en butée fin de course contre le fond 15. Dans cette position, les masselottes M des deux trains de masselottes 1, 2 tournent en opposition de phase et leur moment résultant est nul. Lorsque du fluide sous pression est injecté dans la chambre de travail El, ce piston 20 est soumis à un effort axial qui tend à la déplacer à l'opposé du fond et donc à engendrer une double rotation relative entre les deux arbres 6, 8 et ce, grâce à l'action conjuguée des filetages 17, 22 sur les taraudages 12, 24. Bien entendu, ces derniers sont conçus de manière à entraîner une double rotation relative des arbres 6, 8 pouvant atteindre 180 (remise en phase des masselottes M). Il est clair que cette rotation relative n'intervient que dans la mesure o l'incrément de couple moteur résultant de l'admission du fluide sous pression dans la chambre El devient supérieur au couple résistant que l'objet soumis aux vibrations oppose au vibrateur (résistance au fonçage). Conformément à l'invention, l'admission du fluide hydraulique à l'intérieur des chambres El, E2 est assurée par un asservissement faisant intervenir: - un distributeur hydraulique D dont les deux sorties D1, D2 sont respectivement reliées, par l'intermédiaire de deux circuits hydrauliques respectifs Cl, C2, aux entrées des deux joints tournants 27, 30 du déphaseur 7, - un détecteur accélérométrique A associé à un conditionneur CA destiné à effectuer un traitement et une numérisation des informations accélérométriques délivrées par le détecteur A, - un afficheur S apte à effectuer la saisie et l'affichage d'une valeur de consigne, - un processeur PC pouvant consister en un automate programmable qui détermine l'écart entre les informations délivrées par le conditionneur et la valeur de consigne saisie dans l'afficheur S, et qui commande le distributeur D et donc le déphasage assuré par le déphaseur 7, de manière à annuler ledit écart. - 8 - 2772805 Bien entendu, le processeur PC pourra être équipé de divers périphériques usuels tels qu'une console clavier/écran CE, une imprimante I, etc.. Comme précédemment mentionné, le détecteur accélérométrique A pourra être placé sur le boîtier du vibrateur, son axe sensible étant parallèle à l'axe de propagation des vibrations du vibrateur. Dans ce cas, le conditionneur CA effectue une double intégration du signal sinusoïdal émis par le capteur accélérométrique A, ainsi qu'une conversion analogique/numérique de ce signal. Le signal transmis au processeur PC est alors un signal représentatif de l'amplitude des vibrations engendrées par le vibrateur. La valeur de consigne que l'opérateur aura à afficher sur l'afficheur S sera donc une valeur représentative d'une amplitude de ces vibrations de fonçage. Cette valeur pourra être déterminée après une phase exploratoire de manière à ce qu'elle corresponde à une amplitude suffisante pour assurer le fonçage mais inférieure à un seuil de nocivité pour les installations sensibles voisines. En fonction de la valeur de consigne choisie, le processeur PC commande le distributeur D, en général un tiroir hydraulique, de manière à régler la rotation dans un sens ou dans l'autre du déphaseur (qui tourne à la vitesse des masselottes excentriques du vibrateur). Ce dispositif se démarque de la possibilité des commandes manuelles actuellement disponibles sur les vibrateurs à moment variable, généralement peu précises et qui, pour le même résultat, nécessiterait une manipulation constante par l'opérateur ainsi qu'une lecture passive de l'amplitude pour ajuster en permanence l'amplitude à la valeur souhaitée. En outre, cette solution permet de pallier aux défectuosités des joints tournants utilisés pour l'alimentation en fluide hydraulique du déphaseur 7: ces joints ne sont pas étanches et sont, en conséquence, équipés de drains. Ils ne permettent 9 2772805 donc pas de conserver, sans corrections régulières et fréquentes, une valeur de déphasage donnée. L'automatisation de la commande de déphasage permet de supprimer tous ces défauts. Elle permet en outre de compenser la variation d'amplitude associée à la variation des natures des sols traversés. Selon une autre variante de l'invention, le détecteur accélérométrique A pourra comprendre un ou plusieurs capteurs accélérométriques (par exemple un ensemble de trois capteurs axés selon trois axes orthogonaux) placés sur la structure que l'on désire protéger contre les vibrations, de manière à permettre la mesure, selon une ou plusieurs directions, de l'amplitude de la vibration à laquelle est soumise cette structure. D'une façon analogue, le signal accélérométrique délivré par chacun des accéléromètres du détecteur subit dans le conditionneur CA une transformation et une intégration double ainsi qu'une conversion analogique/numérique. Le signal présent à la sortie du conditionneur CA, qui est représentatif de la vitesse particulaire du sol est appliqué à une entrée du processeur PC. Celui-ci pourra effectuer un traitement des informations accélérométriques pour en déduire une valeur indicative de la nocivité de la vitesse particulaire détectée. Cette valeur pourra par exemple correspondre à chaque instant au signal accélérométrique le plus grand parmi les signaux délivrés par tous les capteurs accélérométriques. Cette valeur indicative de la nocivité de la vitesse particulaire est comparée par le processeur PC à une valeur représentative d'un seuil de nocivité, déterminé et saisi par l'opérateur. Le processeur agit alors sur le distributeur hydraulique D en vue d'augmenter ou de réduire l'amplitude des vibrations émises par le vibrateur pour ramener la valeur indicative de la nocivité à une valeur au plus égale à la valeur de seuil de nocivité. - 10- Compte tenu de la distance, éventuellement importante entre le vibrateur et l'emplacement du détecteur accélérométrique A, la liaison entre, d'une part, ce détecteur éventuellement associé au conditionneur et d'autre part, le processeur, pourra s'effectuer au moyen d'un dispositif de transmission à distance tel qu'un câble ou une liaison radio. En fait, on affiche ici dans le processeur PC la valeur d'accélération ou la vitesse particulaire maximale admise pour la structure à protéger et on programme le processeur de manière à ce qu'il pilote le vibrateur, non plus par rapport à une valeur de consigne de même nature mais par rapport à l'impact de la vibration mesurée sur l'installation même qui constitue la cible, par rapport à la valeur maximale admise pour cette cible. Bien entendu, le dispositif selon l'invention peut comprendre plusieurs détecteurs accélérométriques respectivement installés au niveau de plusieurs installations ou cibles. Dans ce cas, le processeur réglera l'amplitude du vibrateur par rapport à la plus contraignante des cibles à protéger. - 1- 2772805 Revendications 1. Dispositif pour la commande asservie de l'amplitude des vibrations d'un vibrateur à moment variable utilisable à l'enfoncement d'objets dans le sol, ce vibrateur comportant au moins deux trains (1, 2) de masselottes excentriques (M, M) comprenant chacun au moins deux masselottes excentriques (M, M') montées rotatives autour d'arbres solidaires de deux pignons respectifs (P) qui engrènent l'un avec l'autre de manière à tourner en sens inverse l'un par rapport à l'autre sous l'effet d'une motorisation pouvant comprendre un ou plusieurs moteurs (Hi, H2), la variation du moment vibratoire engendré par les deux trains (1, 2) de masselottes (M, M') étant obtenue au moyen d'un déphaseur (7) apte à engendrer un déphasage angulaire variable entre les mouvements de rotation des deux trains (1, 2) de masselottes (M, M), caractérisé en ce qu'il fait intervenir au moins un détecteur accélérométrique (A) placé de manière à être soumis aux vibrations engendrées par le vibrateur, des moyens pour déduire une valeur représentative de la nocivité des vibrations à partir de données accélérométriques délivrées par le détecteur accélérométrique (A), des moyens (S) pour saisir une valeur de consigne, et des moyens de traitement électronique (P) associés à des moyens d'actionnement (D) agissant sur la commande de déphasage du déphaseur (7) de manière à maintenir la valeur représentative de la nocivité des vibrations à un niveau inférieur ou égal à la valeur de consigne. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur de consigne résulte d'essais préalables effectués sur le site. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le détecteur accélérométrique (A) comprend un accéléromètre placé sur la carcasse vibrante du vibrateur. - 12- 2772805 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le détecteur accélérométrique (A) est installé au niveau d'une structure à protéger. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la transmission entre le détecteur accélérométrique (A) et les moyens de traitement électroniques (P) est assurée par tout moyen de transmission à distance connu tel que liaison filaire ou liaison radio. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le détecteur accélérométrique (A) comprend trois capteurs accélérométriques axés selon trois axes orthogonaux. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'à chaque instant, les moyens de traitement électroniques prennent en considération le signal accélérométrique le plus important, parmi les signaux délivrés par les capteurs accélérométriques. 8. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs détecteurs accélérométriques (A) respectivement installés au niveau de plusieurs installations ou cibles, les moyens de traitement électroniques réglant alors l'amplitude du vibrateur par rapport à la plus contraignante des cibles à protéger.