Brevet FR2811602A1 — publié le 20020118

La présente invention a pour objet un appareil hydraulique à percussions. Un appareil hydraulique à percussions comprend un corps, à l'intérieur duquel est monté un cylindre, dans lequel est guidé un piston de frappe entraîné de façon alternative par un fluide incompressible et venant percuter un outil retenu à l'extrémité inférieure du corps. La distribution du fluide assurant le mouvement du piston est réalisée par un distributeur logé dans une boîte de distribution montée dans le corps. Le document EP 0 638 013 concerne un appareil à percussions, dans lequel le cylindre du piston de frappe et les différentes chemises formant le cylindre assurant le guidage de ce dernier et du distributeur sont maintenus dans un corps par un couvercle supérieur, lui-même fixé au corps par des vis. Ces vis assurent un blocage mécanique des différentes pièces, mais procurent les inconvénients suivants : - la distribution de la pression exercée par le couvercle est totalement dépendante de l'effort de serrage transmis par chaque vis. Or, la mise en tension de vis courtes sur un appareil de travaux publics est généralement réalisée par serrage au couple avec toutes les incertitudes inhérentes à ce type de mise en contrainte : frottements inégaux dans les filetages de vis, précision de l'appareil de serrage.... Une déformation de l'ensemble de guidage du piston de frappe peut donc être engendrée par le serrage du couvercle. - le couvercle ne peut être à la fois en contact avec les chemises et le corps de l'appareil, le jeu fonctionnel nécessaire pouvant alors entraîner une flexion du couvercle qui répercute une flexion sur les vis, nuisible à leur tenue en fatigue. - un léger desserrage des vis de fixation du couvercle se traduit par un mouvement relatif des chemises entre elles, une usure des portées, et un désalignement progressif pouvant nuire au guidage hydraulique du piston de frappe. Le but de l'invention est de fournir un appareil hydraulique à percussions, dans lequel les différentes pièces destinées à être montées dans une enceinte du corps ne soient pas soumises aux contraintes résultant d'un serrage par vis, avec les inconvénients qui en résultent et qui ont été définis précédemment. A cet effet, l'appareil hydraulique à percussions qu'elle concerne, comprenant un corps à l'intérieur duquel est monté un cylindre dans lequel est guidé un piston de frappe entraîné de façon alternative par un fluide incompressible, et venant percuter un outil retenu à l'extrémité inférieure du corps, la distribution du fluide assurant le mouvement du piston étant réalisée par un distributeur logé dans une boîte de distribution montée dans le corps, est caractérisé en ce que le cylindre et la boîte de distribution sont entièrement contenus dans l'enceinte délimitée par le corps, en ce que le cylindre est en appui axial sur le corps, en ce que la boîte de distribution est montée coaxialement au cylindre et prend appui mécaniquement sur celui-ci et en ce que les surfaces perpendiculaires à l'axe de l'appareil, soumises à la pression, sont agencées et dimensionnées de telle manière que les résultantes des forces hydrauliques appliquées sur les pièces, cylindre et boîte de distribution, soient dirigées dans le même sens en direction d'un appui situé dans le corps de l'appareil, au cours de toutes les phases du cycle de fonctionnement de celui-ci. Suivant une forme d'exécution, cet appareil comporte également un couvercle de distribution disposé coaxialement à la boîte de distribution et prenant appui axialement sur celle-ci, dont les surfaces perpendiculaires à l'axe de l'appareil et soumises à la pression sont agencées et dimensionnées de telle manière que la résultante des forces hydrauliques appliquées sur le couvercle soit dirigée dans le même sens que la résultante des forces appliquées sur les autres pièces, cylindre et boîte de distribution, au cours de toutes les phases du cycle de fonctionnement de l'appareil. Il ressort de cette structure que les pièces constituées par le cylindre, la boîte de distribution et le couvercle de distribution ne sont pas fixées de façon mécanique par le couvercle du corps, comme tel est le cas habituellement. La valeur du serrage du couvercle sur le corps n'influe donc absolument pas sur la tenue des différentes pièces à l'intérieur du corps, d'une part, et les unes relativement aux autres, d'autre part, puisque ces pièces sont plaquées les unes contre les autres et contre le corps par des forces hydrauliques. Il en résulte la possibilité de disposer de tolérances de fabrication plus larges que dans le cas traditionnel d'assemblage par vissage, tout en bénéficiant d'une meilleure qualité de comportement de l'appareil, puisque l'on évite les risques de déformation du cylindre et de désalignement du guidage du piston de frappe, connus dans la technique antérieure. Suivant une caractéristique de l'invention, l'appui du corps, contre lequel les différentes pièces sont poussées hydrauliquement, est constitué par le fond de l'enceinte, situé du côté de l'outil, dans laquelle est monté le cylindre. Suivant une autre caractéristique, chaque pièce, cylindre, boîte de distribution, couvercle de distribution comporte deux surfaces antagonistes dont la première est soumise alternativement à la haute et à la basse pression et dont la seconde, de plus grande surface que la première, est soumise en permanence à la haute pression. Selon une forme d'exécution de cet appareil, la face d'extrémité du cylindre en appui contre le fond de l'enceinte du corps est à la pression atmosphérique tandis que sa face opposée est toujours soumise à la haute pression. Le cylindre est ainsi plaqué dans le fond de l'enceinte du corps. Suivant une possibilité, la boîte de distribution possède deux tronçons cylindriques successifs, dont celui tourné du côté du piston est obturé par un fond délimitant avec le piston une chambre reliée alternativement à la haute et à la basse pression, et dont l'autre tronçon, de section supérieure à celle du premier, est situé dans une chambre alimentée en permanence en fluide à haute pression. Avantageusement, le couvercle de distribution présente une paroi circulaire dont la face extérieure est en appui contre la face intérieure de la boîte de distribution, dont la face intérieure sert, pour partie, au guidage du distributeur, dont la face inférieure délimite pour partie une chambre annulaire, qui est en permanence reliée au circuit basse pression, cette paroi circulaire se terminant par une partie de plus grande section, reposant sur l'extrémité de la boîte de distribution et située dans une chambre alimentée en permanence en fluide à haute pression. Selon une autre forme d'exécution, le couvercle de distribution présente une paroi circulaire dont la face extérieure est en appui dans un alésage du corps, dont la face inférieure prend appui contre la face supérieure de la boîte de distribution, dont la face intérieure sert, pour partie, au guidage du distributeur et délimite avec celui-ci une chambre annulaire, qui est en permanence reliée au circuit basse pression, cette paroi circulaire se terminant, à son extrémité supérieure, par une partie de plus grande section, située dans une chambre alimentée en permanence en fluide à haute pression. De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples non limitatifs, plusieurs formes d'exécution de cet appareil : Figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un appareil équipé d'un premier ensemble cylindre-moyen de distribution ; Figures 2 à 6 sont des vues en coupe longitudinale de cinq variantes d'exécution de l'appareil de figure 1. L'appareil représenté à la figure 1 comprend un corps 1, dans lequel est ménagée axialement une cavité servant au logement d'un cylindre 2 venant prendre appui contre le fond 5 de la cavité située du côté d'un outil de frappe 40. Le cylindre 2 sert au guidage alternatif d'un piston de frappe 22 destiné au cours de chaque cycle de fonctionnement à frapper la tête de l'outil 40. Dans la partie supérieure du cylindre 2 est montée, dans une cavité centrale et axiale, une boîte de distribution 3 dans l'extrémité supérieure de laquelle est monté un couvercle de distribution 4. A l'intérieur de la boîte de distribution est monté un distributeur 23 qui agit sur l'alimentation de l'appareil en fluide incompressible pour provoquer un mouvement alternatif du piston. Le piston de frappe 22 délimite avec son cylindre deux chambres antagonistes, une chambre annulaire inférieure 13 toujours soumise à la haute pression HP provenant du canal 17 et une chambre supérieure 12 est alternativement soumise à la haute et à la basse pression par l'intermédiaire du distributeur 23 de manière a ce que la résultante des pressions exercées sur le piston de frappe soit successivement dans un sens puis dans l'autre. La boîte de distribution délimite avec le cylindre une chambre annulaire 6 toujours soumise à la basse pression par l'intermédiaire du canal 16. Le distributeur 23 délimite avec la boîte de distribution 3 une chambre annulaire 14 dite de commande qui est alternativement en communication avec la haute (HP) et la basse pression (BP) en fonction de la position du piston de frappe 22. Le distributeur 23, la boîte de distribution 3, le couvercle de distribution 4 délimitent une chambre annulaire 15 toujours soumise à la basse pression par l'intermédiaire du canal 16. L'équilibre du couvercle de distribution 4 est simple, dans la mesure où la surface 7 délimitant la chambre 15 est systématiquement à la pression BP, et que la pression HP dans la chambre 26 s'exerce sur la surface opposée a cette dernière, maintenant ainsi hydrauliquement le couvercle 4 poussé vers le bas. Le couvercle exerce donc un effort sur la boîte de distribution Fcouv = (HP - BP)(S7) lorsque le distributeur est en position basse, et Fcouv = (HP - BP)(57) - (HP - BP)(S4o) lorsque le distributeur est en position haute. [HP -BP](S40) représentant la force exercée par le distributeur). Si l'on considère l'équilibre de la boîte de distribution 3, cette dernière est soumise à la haute pression sur sa surface 24 (aire S24), la surface 6 (aire 56) délimitée par la boîte de distribution 3 et le cylindre 2 est toujours soumise à la pression BP, la surface 20 (aire S20) délimitée par la chambre 15 est toujours soumise à la pression BP, la surface 21 (aire 521) délimitée par la chambre annulaire 14 est alternativement soumise à la HP et à la BP, la surface 25 (aire S25) est toujours soumise à la pression HP, la surface 18 (aire S18) formant le fond de la boîte, et délimitée par la chambre supérieure 12 et le corps 2 est alternativement soumise à la HP et à la BP. Il en résulte quatre possibilités d'équilibres différents de la boîte de distribution 3. A la montée du piston, lorsque le distributeur est en position basse : S24+S20+S21+S26 = S18+S6 La résultante F8 des forces appliquées à la boîte de distribution peut s'écrire : FB = (S24xHP) + (S20xBP) + (521XBP) + (525XHPH51BXBPH56xBP) + Fcouv + FDIST = HP(S24 + S26) + BP(52o + Sz1-S$ S6) + (HP-BP)(S7) + (HP-BP)(S41-S4o) avec Fcouv = force exercée par le couvercle sur la boîte FDIST = force exercée par le distributeur sur la boîte or d'après la première équation : S20+ S21 - S18- S6 - -S24 - S25 donc : FB = (HP - BP) (S24 + S25 + S7 + S41 - S40) = (HP - BP) St avec St : surface projetée de la vue de dessus de la boîte. La boîte de distribution est donc maintenue hydrauliquement poussée vers le bas par la résultante des forces appliquées. De même, à la montée du piston, lorsque le distributeur est en position haute, la section 21 est alors soumise à la pression HP. FB = (S24xHP) + (S2oxBP) + (S21 xHP) + (S25XHP)-(S18XBPHS6xBP) + Fcouv = HP(S24 + S21 + S25) + BP(S20-S18-S6) + (HP-BPHS7HHP-BPHS4o) or S20 S18 - S6 - -S24 -S21 -S25 donc : FB = (HP - BP) (S24 + S21 + S25 + S7 - S40) = (HP-BP) St A la descente du piston, lorsque le distributeur est en position haute, les chambres 14 et 12 sont alors soumises à la pression HP FB = (S24xHP) + (S2oxBP) + (S21XHP) + (S25xHP)-(S lBxHP)-(SsxBP) + Fcouv =HP(S24+S2,+S25-S1a)+BP(Sz Ss)+(HP-BP)(S)-(HP-BP)(S4o) or S2o S6 - -S24 - S21 S25 +S18 donc : FB = (HP - BP) (S24 + S21 + S25 - S18 + S7 - S40) or S7 - 540 = S20 et 56 = S24 + S20 + S21 + S25 - S1 FB = (HP - BP)(S6) La boîte de distribution est constamment maintenue hydrauliquement poussée vers le bas par la résultante des forces appliquées. A la descente du piston, lorsque le distributeur est en position basse, la chambre de commande 14 est de nouveau à la BP et la chambre 12 est toujours à la HP. FB = (S24XHP) + (S2oxBP) (S21 xBP) + (S25xHP)-(S18xHP)-(S6xBP) + F cou + FDIST = HP(S24 + S25-S18) + BP(S20 + S21-S6) + (HP-BP)(S7) + (HP-BP)(S41-S40) or S20 + S21 - S6 = -S24 -S25 + S18 donc : FB = (HP - BP)(S24 + S25 - S18 + S7 + S41- S40) or S7 + S41 - S4o = S20 + S21 FB = (HP - BP)(S6) Dans toutes les phases du fonctionnement, la boîte de distribution est donc constamment maintenue hydrauliquement poussée vers le cylindre. Si l'on considère l'équilibre du cylindre 2, ce dernier est soumis à la pression atmosphérique Pa sur toute sa surface inférieure 5 (aire S5), la surface annulaire 8 (appelée aire S8 en projection sur une surface parallèle à la surface 5) est toujours soumise à la pression HP, la surface 9 (aire S9) est soumise à la pression de la chambre 12 (HP à la descente du piston, BP à la montée du piston), la surface 10 (aire S10) est toujours soumise à la pression BP, la surface 11 (aire S11) est toujours soumise à la pression HP. Si l'on appelle respectivement F5, F8, F9, F10, F11, les différentes forces qui s'appliquent au cylindre avec : - A la montée du piston : F5 = S5 x Pa F8 = SB x HP Fg = S9 x BP F10 =S10 x BP F11 = S11 x HP FB = Force appliquée par la boîte sur le cylindre. et S5= Sg+Sg+S,p+S,1 Alors la résultante Fe des forces appliquées au cylindre peut s'écrire : F=F5+Fg+F9+F,o+S" +Fg = -(S5xP8) + (S8xHP) + (S9xBP) + (S10xBP) + (S11XHP) + FB F=(SSxPe)+HPx(Sg+S")+BP(S9+S,o)+Fg La pression atmosphérique étant négligeable par rapport à la pression HP, on obtient alors : F=HP(Sg+S")+BP(S9+S,o)+(HP-BP)St or St = S,o + S9 + S42(St : surface projetée de la vue de dessous de la boîte) Fe = HP(511 + 510 + 59 + 542) + HPx5a-BPx512 en dynamique Si on calcule en statique, on a un quasi-équilibre des forces sur le piston et HP x S8 = BP x S42 d'où Fc = HP (S11 + S10 + S9 + S42) Le cylindre est donc maintenu hydrauliquement, poussé vers le bas par la pression HP. - A la descente du piston : F5, F8, Flot F11 restent inchangées, F9 = S9 x HP Dans ce cas, Fe HP (S8 + S" + 59) + BP (510) + FB Le cylindre est donc maintenu encore hydrauliquement, poussé vers le bas du corps 1 par la résultante des forces appliquées. Les figures 2,3, 4 et 5 représentent des variantes de l'appareil de figure 1, dans lesquelles la cylindrée de la chambre supérieure motrice du piston de frappe 22 a été réduite par adjonction d'une chambre supplémentaire pouvant être, suivant le cas, reliée à la pression atmosphérique ou à la pression du circuit retour basse pression, afin que son action sur la résultante des forces appliquées au piston soit négligeable. Une chambre motrice avec un volume réduit permet d'obtenir des fréquences élevées tout en conservant le même débit d'entrée, la puissance globale étant maintenue par augmentation de la pression de travail. Dans ces figures, les mêmes éléments sont désignés par les mêmes références qu'à la figure 1. Dans la forme d'exécution représentée à la figure 2, une chambre 27 délimitée par le piston de frappe et la boîte de distribution a été adjointe. Cette chambre 27 est constamment reliée au circuit retour et donc à la basse pression par le canal 28. L'équilibre du couvercle de distribution 4 reste inchangé par rapport à la figure 1. L'équilibre de la boîte de distribution est lui modifié puisque la chambre 27 délimite une surface 29 qui vient réduire l'effet de la surface 18 en figure 1. Cette surface 29 étant toujours soumise à la basse pression, la boîte de distribution subira une résultante de forces vers le bas encore plus importante que dans le cas de la figure 1. L'équilibre du cylindre 2 par rapport à la figure 1 suit l'évolution de la force FB. La figure 3 représente une variante d'exécution de l'appareil de la figure 2, où la chambre 27 est remplacée par une chambre 30 délimitant une surface 32 de la boîte de distribution toujours soumise à la pression atmosphérique. Dans la forme d'exécution représentée à la figure 4, à l'inverse des figures 2 et 3, la chambre supérieure motrice 35 n'est plus annulaire et délimite une surface 36 sur la boîte de distribution 3, tandis qu'une chambre annulaire 33 est créée et est délimitée par le piston de frappe 22, le cylindre 1 et la boîte de distribution 3. La chambre 33 est constamment reliée au circuit retour BP par le canal 34, et la surface 38 qu'elle délimite a pour fonction d'augmenter la résultante des forces qui plaque vers le bas la boîte de distribution, sans pour autant changer l'équilibre du cylindre 2 et du couvercle 4. La figure 5 représente une variante de l'appareil de la figure 4, où la chambre 33 est remplacée par une chambre 37 délimitant une surface 39 de la boîte de distribution toujours soumise à la pression atmosphérique. La figure 6 représente une variante applicable aux appareils des figures 2,3, 4 et 5, où le couvercle de distribution 4 est cette fois guidé directement dans le cylindre 2 au lieu de la boîte de distribution 3. De la même façon que précédemment, les différentes surfaces du couvercle de distribution et de la boîte de distribution sont agencées de telle manière que les résultantes des forces qui leurs sont appliquées sont toujours dirigées vers le bas. REVENDICATIONS 1. Appareil hydraulique à percussions, comprenant un corps à l'intérieur duquel est monté un cylindre dans lequel est guidé un piston de frappe entraîné de façon alternative par un fluide incompressible, et venant percuter un outil retenu à l'extrémité inférieure du corps, la distribution du fluide assurant le mouvement du piston étant réalisée par un distributeur logé dans une boîte de distribution montée dans le corps, caractérisé en ce que le cylindre et la boîte de distribution sont entièrement contenus dans l'enceinte délimitée par le corps, en ce que le cylindre est en appui axial sur le corps, en ce que la boîte de distribution est montée coaxialement au cylindre et prend appui mécaniquement sur celui-ci et en ce que les surfaces perpendiculaires à l'axe de l'appareil, soumises à la pression, sont agencées et dimensionnées de telle manière que les résultantes des forces hydrauliques appliquées sur les pièces, cylindre et boîte de distribution, soient dirigées dans le même sens en direction d'un appui situé dans le corps de l'appareil, au cours de toutes les phases du cycle de fonctionnement de celui-ci. 2. Appareil hydraulique à percussions selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un couvercle de distribution disposé coaxialement à la boîte de distribution et prenant appui axialement sur celle-ci, dont les surfaces perpendiculaires à l'axe de l'appareil et soumises à la pression sont agencées et dimensionnées de telle manière que la résultante des forces hydrauliques appliquées sur le couvercle soit dirigée dans le même sens que la résultante des forces appliquées sur les autres pièces, cylindre et boîte de distribution, au cours de toutes les phases du cycle de fonctionnement de l'appareil. 3. Appareil hydraulique à percussions selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'appui du corps, contre lequel les différentes pièces sont poussées hydrauliquement, est constitué par le fond de l'enceinte, situé du côté de l'outil, dans laquelle est monté le cylindre. 4. Appareil hydraulique à percussions selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque pièce, cylindre, boîte de distribution, couvercle de distribution comporte au moins deux surfaces antagonistes dont l'une est soumise alternativement à la haute et à la basse pression et dont l'autre, de plus grande surface que la première, est soumise en permanence à la haute pression. 5. Appareil hydraulique à percussions selon la revendication 3, caractérisé en ce que la face d'extrémité du cylindre (2) en appui contre le fond (5) de l'enceinte du corps (1) est à la pression atmosphérique tandis que sa face opposée (11) est toujours soumise à la haute pression. 6. Appareil hydraulique à percussions selon la revendication 4, caractérisé en ce que la boîte de distribution (3) possède deux tronçons cylindriques successifs, dont celui tourné du côté du piston est obturé par un fond (18) délimitant avec le piston une chambre (12) reliée alternativement à la haute et à la basse pression, et dont l'autre tronçon, de section supérieure à celle du premier, est situé dans une chambre (26) alimentée en permanence en fluide à haute pression. 7. Appareil hydraulique à percussions selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le couvercle de distribution (4) présente une paroi circulaire dont la face extérieure est en appui contre la face intérieure de la boîte de distribution (3), dont la face intérieure sert, pour partie, au guidage du distributeur, dont la face inférieure (7) délimite pour partie une chambre annulaire (15), qui est en permanence reliée au circuit basse pression, cette paroi circulaire se terminant par une partie de plus grande section, reposant sur l'extrémité de la boîte de distribution (3) et située dans une chambre (26) alimentée en permanence en fluide à haute pression. 8. Appareil hydraulique à percussions selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le couvercle de distribution (4) présente une paroi circulaire dont la face extérieure est en appui dans un alésage du corps (2), dont la face inférieure prend appui contre la face supérieure de la boîte de distribution, dont la face intérieure sert, pour partie, au guidage du distributeur (23) et délimite avec celui-ci une chambre annulaire, qui est en permanence reliée au circuit basse pression, cette paroi circulaire se terminant, à son extrémité supérieure, par une partie de plus grande section, située dans une chambre (26) alimentée en permanence en fluide à haute pression.