Brevet FR2815999A1 — publié le 20020503

OUTIL DE COUPE A DETECTION D'USURE, DISPOSITIF ET PROCEDE DE DETECTION D'USURE DES OUTILS DE COUPE. La présente invention porte sur un outil de coupe de tunnelier comportant un moyen de détection de son usure. Elle porte également sur un dispositif et un procédé de détection de l'usure des outils de coupe de tunnelier. Les tunneliers sont des machines complexes permettant de creuser des tunnels en sous-sol sans visibilité. Le tunnelier progresse par passes ou cycles (stroke) de longueur prédéfinie. Un cycle d'avancement est décomposé en deux phases : une phase d'avancement qui s'accompagne de l'excavation du terrain et une phase de pose du soutènement. Lors de la phase d'avancement, le tunnelier doit avoir la capacité d'abattre le terrain, de progresser, de soutenir les terrains découverts et de déconfiner les terrains abattus. Ces différentes fonctions sont assurés par des organes installés sur le tunnelier. L'abattage est rendu possible par la roue de coupe dotée de ses outils qui peuvent être de différents types selon la nature des terrains rencontrés : molettes pour les terrains très durs, dents ou rippers pour les terrains semi-durs ; couteaux pour les terrains tendre. La progression est assurée par les vérins de poussée et les moyens d'appui sur le dernier anneau de voussoir posé. Le soutènement est assuré par la roue de coupe, le corps du bouclier formé de viroles métalliques et la jupe. Le déconfinement est assuré par la chambre d'abattage et la vis d'Archimède dans le cas de la pression de terre. Après chaque cycle d'avancement, le tunnelier pose un anneau décomposé en voussoirs de béton armé s'assemblant entre eux et solidarisé à l'anneau précédent par des systèmes mécaniques (broches, tirefonds, etc.). Pendant cette phase de travail d'autres tâches sont réalisées notamment le rallongement des réseaux d'alimentation en électricité, en eau, en air et le rallongement des rails. Compte tenu de la complexité des différents organes constitutifs d'un tunnelier, le moindre arrêt intempestif est très onéreux étant donné que la remise en route du tunnelier ne peut pas être immédiate mais demande des contrôles de remise en fonctionnement de chacun des différents organes constitutifs, contrôles qui peuvent s'avérer longs. Néanmoins, des arrêts sont programmés de façon régulière afin de remplacer les outils de coupe qui s'usent au fur et à mesure de la progression. Par expérience, on estime que pour une certaine nature de terrain traversé, les outils de coupe doivent être changés tous les x mètres d'avancée. Ainsi, tous les x mètres, le tunnelier est arrêté, les outils de coupe sont vérifiés et changés si nécessaire. Ces remplacements ou simples vérifications, nécessitent d'une part l'arrêt du tunnelier et d'autre part exposent le personnel à l'air comprimé, (pour autant que le tunnelier évolue dans un terrain sous pression élevée). On recherche donc à minimiser ces vérifications ou remplacements. Par ailleurs, il arrive que le terrain ne soit pas de la nature prévue ou soit non homogène, il peut alors arriver que les outils de coupe s'usent plus rapidement que prévu. On risque alors non seulement d'user en totalité les outils de coupe mais également d'endommager la roue de coupe et de provoquer ainsi un arrêt brutal et prolongé du tunnelier dû à des réparations longues et difficiles. Afin de remédier à ces problèmes, les inventeurs ont trouvé qu'il était possible de connaître l'usure des outils de coupe en remplaçant sur la roue de coupe au moins un outil de coupe classique par un outil de coupe perfectionné conforme à l'invention. L'outil de coupe conforme à l'invention est doté d'un logement rempli d'une substance capable d'être détectée dans les matériaux excavés. Le logement est prévu de façon à ce que son extrémité fermée soit positionnée à la limite tolérée de l'usure de l'outil de coupe. Ainsi, lorsque l'outil de coupe est usé, c'est à dire lorsque la matière constituant son extrémité de travail a été consommé jusqu'à l'extrémité du logement, celui-ci laisse alors échapper la substance qui se disperse dans le terrain environnant. La présente invention a donc pour objet un outil de coupe perfectionné, le perfectionnement consistant en la présence dans l'outil d'un logement longitudinal contenant une substance susceptible d'être détectée dans les matériaux excavés lorsqu'elle se trouve en contact avec ceux-ci, l'extrémité de remplissage du logement étant fermée et l'extrémité opposée étant situé au centre de la partie libre de l'outil, à une distance de l'extrémité libre au plus égale à la limite tolérée de l'usure de l'outil. L'usure de l'outil correspond à une perte de la matière constitutive de son extrémité libre de travail au fur et à mesure de l'avancement du tunnelier. Ainsi, au cours de la progression, la longueur de la partie libre de l'outil de coupe diminue. En théorie, la limite tolérée de l'usure de l'outil correspond à la distance entre l'extrémité libre de l'outil et le bord de la roue de coupe. Cependant, dans la pratique il est évident que cette limite ne doit jamais être atteinte, les risques d'endommagement de la roue de coupe étant alors trop importants. Dans la pratique, l'extrémité libre des outils de coupe présente une dureté renforcée sur une certaine distance, due à la présence d'éléments (inclusions, revêtement) en matériaux de dureté supérieure à la dureté du matériau constituant les outils de coupe. Lorsque l'usure a dégradé l'outil sur cette distance, l'usure de la partie restante est plus rapide. On peut donc considérer que la limite tolérée de l'usure se situe sensiblement à égale distance du bord de la roue de coupe et du bord libre de l'outil de coupe en son état neuf. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, l'outil de coupe est un couteau ou une dent. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, l'outil de coupe de tunnelier consiste en un bloc d'acier de forme générale parallélépipédique dont une partie, comportant au moins un moyen de fixation à la roue de coupe, peut être rendue solidaire de la roue de coupe et l'autre partie comporte à son extrémité libre des inclusions de métaux de très grande dureté, lesdites inclusions faisant saillie à cette extrémité, la partie libre de l'outil de coupe pouvant être revêtue d'une couche de matériau de très grande dureté, caractérisé par le fait que ledit outil comporte un logement axial longitudinal présentant une extrémité borgne et une extrémité de remplissage dotée d'un moyen de fermeture, ledit logement étant rempli d'une substance de détection, et la distance séparant l'extrémité libre de l'outil de l'extrémité borgne est au plus égale à la limite tolérée de l'usure de l'outil. La substance placée dans le logement est une substance capable d'être détectée dans les matériaux excavés lorsqu'elle est en contact avec ceux-ci. Une telle substance peut être choisie dans le groupe comprenant notamment les colorants, les matières radioactives, des billes métalliques ou colorées. Lorsqu'on utilise un colorant, on le choisira de façon à ce qu'il soit très dispersible de telle sorte qu'une très faible quantité de ce colorant permette la coloration des matériaux excavés. Un exemple d'un tel colorant peut être la fluorescéine. La détection pourra alors se faire en sortie du tunnelier par observation visuelle de la couleur des matériaux excavés. De la même façon, si l'on utilise des billes de couleur, la détection se fera par observation visuelle des terrains excavés. De façon avantageuse, la couleur sera choisie de façon à être très contrastante par rapport aux terrains excavés. Lorsqu'on utilise une substance radioactive, la détection pourra se faire dans les matériaux excavés à l'aide d'un dosimètre. Ce moyen de détection est approprié pour tous les types de terrains rencontrés. Lorsqu'on utilise des billes métalliques, la détection pourra se faire à l'aide d'un détecteur de métaux. Ce moyen sera particulièrement adapté aux terrains qui ne sont pas riches en métaux. Le logement contenant la substance susceptible d'être détectée est placé au centre de l'outil de coupe, de préférence suivant l'axe longitudinal de celui-ci et présente un diamètre suffisamment faible pour ne pas détériorer la résistance de l'outil et suffisamment grand pour recevoir une quantité de substance permettant la détection. Selon un mode de réalisation avantageux, le logement présente un diamètre tel que le rapport entre le diamètre et l'épaisseur de l'outil est au maximum de 1/3, de préférence au maximum de 1/5. L'outil de coupe conforme à l'invention va être décrit de façon plus détaillée à l'aide des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente une vue en plan d'un outil de coupe perfectionné conforme à l'invention ; - la figure 2 représente une vue de côté suivant II de l'outil de coupe de la figure 1 ; - la figure 3 représente une vue de dessus de l'outil de coupe de la figure 1. L'outil de coupe 1 est constitué d'une pièce massive 2 en acier de forme générale longitudinale comportant sur sa largeur, en son extrémité 3 solidaire du disque de coupe une saillie centrale 4, de forme circulaire, de diamètre inférieur à la largeur de l'extrémité 3. L'extrémité libre 5 de la saillie 4 est biseautée. Ladite saillie 4 coopère avec une cavité ménagée dans la roue de coupe (non représentée) afin de solidariser ledit outil de coupe à la roue de coupe. La pièce massive comporte en sa partie centrale 6 deux oreilles 7 identiques faisant saillie sur la largeur de l'outil. La forme de la largeur de l'outil de coupe des oreillettes vers l'extrémité libre 8 est évasée. Sur cette partie évasée 9, la pièce massive est rechargée en un matériau de dureté élevée par soudure à l'inox ou au chrome. La partie centrale 10 de l'extrémité libre 8 est pourvue de 4 inclusions 11 en matériau de très grande dureté, par exemple des pastilles de tungstène. Ces inclusions sont disposées en quinconce sur la partie centrale 10 de l'extrémité libre de travail. Les bords latéraux 12 de l'extrémité libre sont inclinés et comportent chacun deux autres inclusions 13. Un logement longitudinal et axial 14 est ménagé dans la pièce massive 2 de l'outil de coupe. L'extrémité ouverte 15 de ce logement est placée à l'extrémité 3 de l'outil de coupe et est dotée d'un moyen de fermeture 16 de façon à fermer hermétiquement ledit logement 14. Le logement traverse la pièce massive jusqu'à la moitié de la partie évasée revêtue d'un matériau de dureté élevée 9 ou se trouve son extrémité fermée 17. Le logement 14 est rempli d'une substance susceptible d'être détectée dans les matériaux excavés lorsqu'elle entre en contact avec ceux-ci. La distance d entre l'extrémité libre 9 de l'outil et l'extrémité fermée 17 du logement est inférieure à la distance D séparant l'extrémité libre 9 de l'outil de coupe et la partie de l'outil qui entre en contact avec la roue de coupe lorsque l'outil est installé sur ladite roue. L'invention porte également sur un dispositif de détection de l'usure des outils de coupe de tunnelier, qui comprend un outil de coupe perfectionné tel que décrit ci-dessus et un moyen de détection de la substance détectable placé au niveau des matériaux excavés. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend un outil de coupe amélioré dont la substance détectable est un colorant ou des billes de couleur associé à un détecteur qui est un spectrophotomètre. Selon un autre mode de réalisation, le dispositif comprend un outil de coupe amélioré comportant des billes d'acier et le détecteur est un détecteur de métaux. Selon encore un autre mode de réalisation, le dispositif comprend un outil de coupe amélioré comportant une substance radioactive et le détecteur est un dosimètre. La présente invention porte également sur le procédé de détection de l'usure des outils de coupe d'un tunnelier qui consiste à placer sur la roue de coupe au moins un outil de coupe perfectionné tel que décrit ci-dessus, à la place des outils ayant l'usure la plus précoce, à disposer un détecteur de la substance de détection disposée dans ledit outil au niveau des matériaux excavés, à faire fonctionner le tunnelier tout en soumettant les matériaux excavés à une détection, à stopper l'avancement du tunnelier dès la détection de la substance de détection dans les matériaux excavés. Bien entendu le détecteur placé au niveau des matériaux excavés est choisi en fonction de la substance contenue dans l'outil de coupe. Ainsi, on pourra utiliser notamment, un détecteur visuel si la substance est une substance colorante, un détecteur radioactif si la substance est radioactive, un détecteur de métaux si la substance consiste par exemple en billes métalliques. Le procédé de détection de l'usure des outils de coupe va être décrit en détail à l'aide des figures expliquées ci-dessus. Au moins un outil de coupe tel que représenté sur les figures 1 à 3 est fixé radialement sur la roue de coupe d'un tunnelier. La partie 9 revêtue de matériau de dureté élevé dépasse de la roue de coupe. Lorsque le tunnelier est actionné, la roue de coupe tourne entraînant les outils de coupe disposés à sa périphérie. La partie libre de ces derniers est en contact avec les parois du tunnel à creuser et permet de racler le terrain. Au fur et à mesure de l'avancement, les frottements très importants exercés sur ces pièces usent les inclusions 11 et 12 de l'outil de coupe, puis de façon plus rapide la partie 9 au delà des inclusions jusqu'à ce que la totalité de la matière allant de l'extrémité libre 9 de l'outil jusqu'à l'extrémité 17 du logement soit emportée. L'usure supplémentaire permet alors l'ouverture du logement 14. La substance de détection contenue dans ce logement, peut alors se répandre dans le terrain qui va être excavé. Des moyens appropriés de détection de cette substance sont disposés de façon à permettre sa détection dans les matériaux excavés. Dès que cette substance a été détectée, la tunnelier est arrêté et les outils de coupe usagés sont remplacés. REVENDICATIONS 1. Outil de coupe (1) de tunnelier perfectionné, le perfectionnement consistant en la présence dans l'outil de coupe d'un logement (14) longitudinal contenant une substance susceptible d'être détectée dans les matériaux excavés lorsqu'elle se trouve en contact avec ceux-ci, l'extrémité de remplissage (15) du logement étant fermée et l'extrémité opposée (17) étant située dans la partie libre de l'outil, à une distance de l'extrémité libre au plus égale à la limite tolérée de l'usure de l'outil. 2. Outil de coupe selon la revendication 1, qui est une dent ou un couteau. 3. Outil de coupe (1) de tunnelier consistant en un bloc d'acier (2) de forme générale parallélépipédique, dont une partie, comportant au moins un moyen de fixation (4) à la roue de coupe, peut être rendue solidaire de la roue de coupe et l'autre partie comporte à son extrémité libre (9) des inclusions (11,13) de métaux de très grande dureté, lesdites inclusions faisant saillie à ladite extrémité (9), la partie libre de l'outil de coupe pouvant être revêtue d'une couche de matériau de très grande dureté, caractérisé par le fait que ledit outil comporte un logement (14) axial longitudinal présentant une extrémité borgne (17) et une extrémité de remplissage (15) dotée d'un moyen de fermeture (16), ledit logement (14) étant rempli d'une substance de détection, et la distance séparant l'extrémité libre (9) de l'outil de l'extrémité borgne (17) du logement (14) est au plus égale à la limite tolérée de l'usure de l'outil. 4. Outil de coupe selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la substance susceptible d'être détectée peut être choisie dans le groupe comprenant notamment les colorants, les matières radioactives, les billes métalliques ou colorées. 5. Outil de coupe selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la substance susceptible d'être détectée est un colorant liquide, dispersible, de préférence la fluorescéine. 6. Outil de coupe selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le logement contenant la substance susceptible d'être détectée est placé au centre de l'outil de coupe, de préférence suivant l'axe longitudinal de celui-ci et présente un diamètre suffisamment faible pour ne pas détériorer la résistance de l'outil et suffisamment grand pour recevoir une quantité de substance permettant la détection. 7. Outil de coupe selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le diamètre du logement est tel que le rapport entre le diamètre et l'épaisseur de l'outil est au maximum de 1/3, de préférence au maximum de 1/5. 8. Dispositif de détection de l'usure des outils de coupe d'un tunnelier, caractérisé par le fait qu'il comprend un outil de coupe selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la substance détectable est un colorant ou des billes de couleur, et un détecteur placé au niveau des matériaux excavés, qui est un spectrophotomètre. 9. Dispositif de détection de l'usure des outils de coupe d'un tunnelier, caractérisé par le fait qu'il comprend un outil de coupe selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la substance détectable consiste en des billes d'acier, et un détecteur placé au niveau des matériaux excavés, qui est un détecteur de métaux. 10. Dispositif de détection de l'usure des outils de coupe d'un tunnelier, caractérisé par le fait qu'il comprend un outil de coupe selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la substance détectable est une substance radioactive, et un détecteur placé au niveau des matériaux excavés, qui est un dosimètre. 11. Procédé de détection de l'usure des outils de coupe d'un tunnelier, qui consiste à placer sur la roue de coupe du tunnelier au moins un outil de coupe perfectionné selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, à la place des outils ayant l'usure la plus précoce, à disposer un détecteur de la substance de détection au niveau des matériaux excavés, à faire fonctionner le tunnelier tout en soumettant les matériaux excavés à une détection, à stopper l'avancement du tunnelier dès la détection de la substance de détection dans les matériaux excavés.