Brevet FR2785347A1 — publié le 20000505

-1 - DOMAINE TECHNIQUE: dans tous les transferts d'énergie et (ou) de mouvements par rotation totale ou partielle,continue ou alt ernative,les mécanismes utilisés tel que réducteur simple ou à étages multiples,sont dimentionnés en fonction des efforts eng endrés par la puissance à transmettre et à l'architecture de construction. Un mécanisme de transfert d'énergie ou de mouvem ent par rotation totale ou partielle, continue ou alternative, peut ètre combiné à un mécanisme de transfert d'énergie ou de mouvement linéaire. Si les deux mécanismes,l'un rotatif l'au10 tre linéaire, agissent individuellement et séparément sur le récepteur commun,il n'y a pas ou peu d'interférence entre eux deux. Dans le cas ou les deux mécanismes sont par nécessité combinés pour agir sur le récepteur commun, la construction de cet ensemble roto linéaire est soumise aux efforts combinés to15 taux ou partiaux des deux mouvements. La présente invention est plus particulièrement destinée à protéger les organes sen sibles d'un mécanisme à transfert d'énergie par rotation lors qu'il est combiné à un mécanisme à transfert d'énergie linéai re par pulsions sur le récepteur commun, que les deux mécanis20 mes soient réunis d'un seul coté du récepteur ou qu'ils soient répartis en opposition sur le récepteur dès l'instant qu'il y a répercussion des énergies entre eux; nous appelons pièces sensibles l'ensemble des pièces y compris les éléments de fixa tion mais à l'exeption des gros éléments tel que enveloppe du25 type carter qui sont en général,sauf exception,suffisament di mentionnés pour résister. Dans cette catégorie de matériel nous nous intéressons au cas des perforateurs roto percutants hydrauliques avec fluide incompressible, utilisés pour la fora tion de trous destinés au chargement d'explosif pour l'abatta30 ge et (ou) au boulonnage de soutènement dans le domaine des ex ploitations à ciel ouvert ou souterraines: mines, carrières, travaux publics et assimilables. La figure 1 représente un per forateur roto percutant hydraulique et dans laquelle:(1)est le mécanisme de rotation avec par exemple un réducteur à engrena35 ges entrainé par un moteur hydraulique,(2)est le mécanisme de percussion avec le piston (7) mu alternativement par une dis tribution hydraulique (5) avec l'assistance d'un accumulateur hydraulique sur poche de gaz zompressi\lq6), (3) est l'outil de foration recevant le mouvement de rotation par l'arbre 2- creux de sortie du réducteur et les impulsions de frappe liné aire par le piston; les jeux fonctionnels donnent une possibi lité de coulissement partiel de l'outil dans l'arbre creux av ec un frottement jusqu'à la butée de verrouillage, ce montage5 incontournable est la raison principale de transmission des percussions sur les pièces du mécanisme de rotation. La liai son axiale (4) des mécanismes de rotation et de percussion est solidairement rigide. Iénergie rotative et l'énergie par pul sions ou percussions donnent la fonction roto percutante et re10 présentent des valeurs élevées puisque les différents modèles de perforateurs couvrent la possibilité de forer des trous dans des roches ou matériaux divers pour des dimensions de que lques dizaines de millimètres jusqu'à plusieurs dizaines de ce ntimètres pour le diamètre et de quelques dizaines de centime15 tres à plusieurs dizaines de mètres pour la longueur ou profon deur. L'énergie combinée roto percutante est transmise à un ré cepteur qui est l'outil de forage. Cet outil engagé dans la li gne de sortie du réducteur de rotation y reçoit l'énergie rota tive et axialement l'énergie linéaire par percussions du pis20 ton organe de frappe alternative du mécanisme de percussion du perforateur. Ce piston est une masse de plusieurs kilogrammes mûe à une fréquence de plusieurs milliers d'aller retours à la minute sur une course de plusieurs centimètres selon l'énergie requise. Chaque percussion est un choc mécanique transmis dir25 ectement sur l'outil de forage, celui ci étant lié aux organes de rotation et comme décrit par la figure 1,il y a transfert de chaque choc mécanique sur les organes ou éléments sensibles du mécanisme de rotation. De plus il y a possibilité d'un choc en retour dû à la réaction de l'outil sur le matériau à forer30 et à la même fréquence que la frappe. ANTERIORITE: des paliatifs ont été utilisés pour éviter les incidences allant pour le moins à une usure rapide et jusqu'à une rupture non moins rapide de certains organes sensibles du mécanisme de rotation tels que: arbres,pignons,paliers ou rou35 lements,butées et autres. Parmis les tentatives citons: -le su rdimensionnement des éléments cités qui atteignent leur limite dans le volume dimentionnel disponible et les couts de produc tion; -les absorbeurs de chocs montés sur l'outil de forage qui montrent leur limite dans leur complexité et la dispersion d' -3- une partie de l'énergie de percussion avec un surcoat dans le contexte de production; - les absorbeurs de chocs mécaniques mo ntés sur l'ensemble porteur du perforateur qui montrent leur limite de durée et d'inefficacité très rapidement car ne pouva5 nt pas répondre à la fréquence de percussion; - les absorbeurs de chocs dans la distribution hydraulique du système de percus sion qui ne protègent modérément que le piston lui même. Le manque de fiabilité de tous ces systèmes sont dOs aux difficul tés à définir la ou les valeurs des efforts et à leur fréquen10 ce d'application qui accélèrent le phénomène de fatigue de la matière des pièces sensibles sollicitées. Les nécessités de fo ration définies par les impératifs de performances industriel les,passent aussi par des impératifs dimensionnels et par la masse des constituants donc des dimentions et de la masse de15 l'ensemble du perforateur roto percutant avec l'obtention de la variabilité des paramètres fonctionnels. tes jeux fonction nels et d'assemblage des pièces constitutives entre elles est un facteur défavorable dans leur destruction prématurée. EXPOSE DE L'INVENTION:les professionnels ayant ou ayant eu à20 traiter les problèmes de construction des perforateurs hydrau liques roto percutants (ou pneumatiques roto percutants) con naissent les facteurs d'influence suivants: -la nature du maté riau foré qui absorbe ou non les chocs avec enfoncement ou non de l'outil à un degré qui provoque ou non un phénomène de rebo25 nd en retour vers le perforateur; -sans rebond:seul le choc av ant du piston est pris en compte dans la définition des pièces sensibles c'est le cas d'école le moins défavorable; -avec re bond:les pièces sensibles arrières sont soumises aux chocs en retour de l'outil, les pièces sensibles avants sont soumises30 à la masse de l'outil repropulsé vers l'avant par le piston de frappe et par le choc du piston lui même les deux efforts s'a joutant, c'est donc bien la situation dite avec rebond qui es rencontrée concrètement et qu'il convient de traiter. Autres paràmètres à prendre en compte: -la nature des matériaux et35 leurs traitements consolidateurs utilisés pour la fabrication des pièces sensibles,-les jeux fonctionnels nécessaires à 1' assemblage des pièces entre elles dans la limite de l'auto in fluence des chocs entre elles, - les jeux fonctionnels des con posants de l'outil de forage pour la partie recevant les mouve -4- ments de rotation et de percussion. En définitive les pièces sensibles du mécanisme de rotation sont soumises à des efforts dûs à toutes les masses mobiles sous haute fréquence, il s'a git en particulier: -du piston de frappe d'un poids de quel5 ques kilogrammes sur une course de quelques millimètres à plu sieurs centimètres avec une fréquence alternative de plusieurs milliers de coups par minute, -de l'outil de forage d'un poids jusqu'à plusieurs dizaines de kilogrammes avec par les jeux de construction fonctionnelle une possibilité de course jusqu'à10 plusieurs millimètres dans sa liaison dans le mécanisme de rot ation avec la même fréquence alternative que le piston, -des pièces sensibles du mécanisme de rotation elles mmes d'un poi ds individuel significatif mais d'un poids cumulé de plusieurs kilogrammes sur des courses de quelques dizièmes de millimètre15 donc influents et toujours avec la même fréquence alterna tive que le piston. Les théories des chocs nous amènent à rap peler les règles suivantes: -une impulsion est un vecteur c' est à dire une force très grande dans un temps très court, -dans le choc on emploie le terme de percussion au lieu d'im pulsion, -dans les percussions de liaison les lois du frotte ment sont applicables, - les lois d'action réaction sont appli cables aux lois de percussion, - les observationide HERTZ défi nissent la nature des actionsdu choc des solides,des moments cinétiques des solides impliqués,du phénomène de restitution,25 la nature des équations mathématiques sur les percussions. Différents types de contacts liés aux chocs: -pendant la durée du choc si les corps restent en contact géométrique la liaison est dite permanente c'est le cas des corps mous qui ne corres pond pas au problème traité ici; -pendant la durée du choc si le contact géométrique n'est réalisé que pendant une partie de l'intervale temps la liaison est dite non permanente,cette dis tinction définit que chaque solide est libre de se mouvoir in dépendament de l'autre du point de vue géométrique c'estle cas du problème traité ici. La progression mathématique de calcul35 des incidences sur les pièces sensibles est basée sur les obs ervations de HERTZ et plus particulièrement de NEWTON et HOOK qui nous conduisent à définir un coefficient dynamique facteur direct multiplicateur: de la flèche statique,de l'allongement ou de la flexion des éléments sensibles et surtout de la force -5- maximum de contrainte traction,flexion et (ou) compression de ces mèmes éléments; ce coefficient dynamique atteint fréquemm ent une valeur de plusieurs dizaines voir centaines ce qui est considérable car il s'applique directement en coefficient mul tiplicateur sur le facteur représentant les masses en mouveme nt; c"^est la situation critique à l'origine des incidents pré maturés allant de l'usure rapide à la rupture des pièces sensi bles objet de ce texte. Il est donc indispensable d'absorber partiellement voir en totalité les forces néfastes par un sys10 tème souple protégeant les pièces sensibles tout en laissant la voie libre passante aux efforts nécessaires à l'utilisation du perforateur sans perturbation ni perte d'énergie. Cette in vention est justifiée car elle propose un système d'amortisse ur ou auto amortisseur hydraulique de protection; l'énergie hy15 draulique à partir d'un fluide incompressible existant sur la machine et le perforateur lui même; cet amortisseur ou auto am ortisseur hydraulique est principalement destiné à rendre le mécanisme de rotation flottant axialement dans sa liaison dire cte ou indirecte avec le mécanisme de percussion (ou frappe).20 Le principe est schématisé par la figure 2 représentant un per forateur roto percutant hydraulique et dans laquelle: (1) est le mécanisme de rotation avec par exemple un réducteur à engre nages entrainé par un moteur hydraulique, (2) est le mécanisme de frappe avec un piston (7) mû alternativement par une distri25 bution hydraulique (5) avec l'assistance d'un accumulateur hyd aulique sur poche de gaz compressibk(6), (3) est l'outil de forage recevant le mouvement de rotation par l'arbre creux de sortie du réducteur et les impulsions de frappe linéaires par le piston; la liaison (4) des mécanismes de rotation et de fra30 ppe est solidairement souple en permettant une mobilité axiale limitée du mécanisme de rotation par rapport au mécanisme de frappe ce dernier restant solidairement fixe sur le support gé néral du perforateur. La partie active rendant possible la mob ilité peut être prévue soit en totalité entre les mécanismes35 de rotation et de frappe soit en totalité à l'avant du mécanis me de rotation et dans les deux cas le coté opposé du mécanis me de rotation est laissé libre axialement dans son centrage, soit répartie à l'avant et à l'arrière de la ligne de sortie du mécanisme de rotation. Elle est constituée de deux vérins -6- symétriques en opposition,l'un destiné à recevoir les impuls ions vers l'avant, l'autre les impulsions vers l'arrière. La figure 3 représente la partie active dans la version répartie à l'avant et à l'arrière du mécanisme de rotation en lui serva nt ce centrage sur sa ligne de sortie Sur cette figure: (1) est le mécanisme interne de rotation, (2) est le carter ou la partie exterieure du mécanisme de rotation, (3) est le mécani sme de frappe et (ou) guidage arrière pour le mécanisme de rot ation, (4) est le guidage avant du mécanisme de rotation par10 exemple sur le support du perforateur ou tout autre élément en liaison avec celui ci, (5) est l'orifice d'alimentation hydrau lique en provenance de l'alimentation du mécanisme de frappe en connexion avec un accumulateur hydraulique à poche de gaz compressible absorbant les pulsions; ce système d'accumulateur15 existe sur le perforateur soit en simple coté avance du piston soit en double cotés avance et recul du piston; il est aussi possible d'utiliser une alimentation hydraulique indépendante avec son propre accumulateur,cette version nécessite une tuyau terie supplémentaire vers l'installation objet de cette invent20 ion; (6) est la chambre du vérin étanchée traditionnellement par des éléments spécialisés haute pression, cette chambre est dimensionnée avec une section pouvant transmettre au minimum les efforts de poussée actionnant le perforateur pendant la fo ration; (7) est la distance fonctionnelle possible du vérin,el25 le est supérieure à la distance définie pour la limite de buté e mécanique extrême du système dit flottant donné au mécanisme de rotation sur ses guidages (3) et (4), cette distance de lim ite mécanique (8) ne correspond pas à un impératif rigoureux, toutefois nous préconisons qu'elle soit supérieure à la cote30 correspondant à celle obtenue par le cumul des jeux fonctionne els axiaux des constituants dits sensibles du mécanisme de rot ation majoré du jeu fonctionnel axial de l'outil de forage dan s son logement. Les limites de butée mécanique avant et arriè re sont utilisables dans les phases d'utilisation du perforate35 ur hors pression sur la frappe. Il n'y a pas d'autre impératif de limite à la course fonctionnelle (7) du vérin sinon les cri tères de construction et d'adaptation sur le perforateur et so n asservissement hydraulique. Cette invention permet donc: la transmission des efforts de poussée par le perforateur sur 1' -7- outil de forage en passant par un appui sur fluide hydraulique incompressible, la transmission du couple de rotation et de 1' énergie de percussion(frappe) sur le même outil de forage tout en absorbant au passage partiellement voir totalement les inci dences possibles sur les pièces sensibles du mécanisme de rota tion dẻs aux chocs mécaniques de la frappe entre le piston du mécanisme de percussion et l'outilde forage d'une part et au phénomène de rebond de l'outil de forage d'autre part. Le prin cipe général du perforateur roto percutant ainsi équipé est re10 présenté par la figure 4. Sur cette figurer(l) est le mécanis me de rotation dans lequel les repères (4) sont les centrages avant et arrière équipés en vérin partie active du système amo rtisseur, (2) est le mécanisme de frappe, (3) est l'outil de forage engagé dans la ligne de sortie du mécanisme de rotation15 recevant donc les efforts de poussée de rotationet de percussi on, (5) est la distribution hydraulique vers le piston du méca nisme de percussion(frappe), (6) est l'accumulateur hydrauli que sur poche de gaz compressible, (7) est le support du perfo rateur destiné par exemple à coulisser sur un affut et dans ce20 support: (8) sont les points de fixation du perforateur, (9) est la butée d'immobilisation pendulaire du mécanisme de rota tion, (10) est le centrage avant du perforateur sachant que tout autre moyen de liaison entre le perforateur et son su pport n'est pas revendiqué par ce texte sauf si des éléments25 constitutifs s'intègrent dans l'objet de cette invention, ce pourrait être le cas par exemple du support avec les éléments propulseurs sur l'affut ou tout accessoire lié fonctionnellem ent au perforateur. NouS rappelons que si les vérins partie ac tive dans les repères (4) sont représentés symétriquement dis30 posés de part et d'autre du mécanisme de rotation, cette repré sentation n'exclut pas d'autres solutions regroupant ces élém ents d'un même coté du mécanisme de rotation,soit à l'avant soit à l'arrière dès l'instant ou la spécificité flottante est obtenue par rapport au mécanisme de percussion. La description comporte 5 figures -8- REVENDICATIONS -1/ Amortisseur hydraulique ou auto amortisseur hydraulique ren dant un mécanisme de transfert d'énergie par rotaetion totale ou partielle, continue ou alternative, flottant par rapport à un mécanism2 de transfert d'énergie linéaire dans le cas ou les deux mécanismes sont combinés sur un récepteur communjafin d'absorber les incidences néfastes provoquées par la transmis sion partielle ou totale de l'énergie linéaire sur les pièces sensibles du mécanisme de rotation, caractérisé en ce qu'il co mporte un mécanisme de rotation (1), un mécanisme de percus10 sion (ou de frappe) (2), un outil de forage (3) inséré dans la ligne de sortie du mécanisme de rotation, les centrages avant et arrière équipés en vérin (4) partie active du système dit flottant inséré sur les liaisons des mécanismes de rotati on et de percussion, une distribution hydraulique (5) vers le15 piston du mécanisme de percussion, un accumulateur hydraulique sur poche de gaz compressible (6). L'accumulateur et la distri bution (5et 6) sont parties intégrantes du mécanisme de percus sion, toutefois le système amortisseur peut être alimenté par un circuit indépendant avec son propre accumulateur, (7) est20 le support de l'ensemble représenté par la figure 5. -2/ amortisseur hydraulique ou auto amortisseur hydraulique se lon la revendication 1 caractérisée par son utilisation sur un perforateur roto percutant hydraulique avec fluide incompressi ble, utilisé pour la foration de trous destinés par exemple25 au chargement d'explosif et (ou) au boulonnage de soutènement dans le domaine des axploitations à ciel ouvert ou souterrai nes pour les mines, carrières, travaux publics et assimila bles