Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
C)5353
La présente invention a pour objet un appareil
à percussions m~ par un fluide sous pression tel qu'un
fluide hydraulique incompressible.
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'exëcution d'un appareil selon l'inven-
tion:
Figures 1 à 5 sont cinq vues en coupe longitu-
dinale d'une première forme d'exécution de cet appareil au
cours de cinq phases de fonctionnement;
Figure 6 est une vue partielle en coupe selon la
ligne 6-6 de Figure 1 de la cavité dans laquelle est mon-
tée la partie supérieure du distributeur;
Figure 7 est une vue en coupe d'une variante
de la cavité de Figure 6;
Figure 8 est une vue partielle de cet appareil
représentant, en coupe, une variante du dispositif
d'échappement du fluide hors de la chambre annulaire;
Figures 9, 10 et 11 sont des vues partielles
de cet appareil représentant, en coupe, trois formes
d'exécution du clapet anti-retour situé entre la chambre
haute du piston de frappe et le réseau haute pression;
Figure 12 est une vue en coupe longitudinale
d'une variante d'exécution de l'appareil de Figures 1 à 5.
Figure 13 est une vue représentant un diagramme
de déplacement du distributeur en fonction du temps;
Figures 14 et 15 sont deux vues en coupe longi-
tudinale et à echelle agrandie de la partie contenant le
distributeur de l'appareil de Figures 1 a 5, au cours de
deux phases de fonctionnement;
Figures 16 et 17 sont deux vues en coupe
longitudinale et à:échelle agrandie de la partie conte-
nant le distributeur, de l'appareil de Figure ~ au cours
de deux phases de fonctionnement.
~ 3~
~2~3S;~
Cet appareil fournit, par l'intermediaire d'une
masse frappante mobile 2 en forme de piston, une succes-
sion de percussions sur un outil 3. Le piston 2 est
monte coulissant dans un cylindre 4 qui, menage dans le
corps 5 de l'appareil et comportant des lumières 6, 7,
reliees par des canaux respectivament 8, 9, sert, en
outre, au coulissement d'un distributeur 10 mettant la
chambre 11 situee au-dessus du piston en communication
alternative avec un circuit haute pression 12 pour per-
10. mettre la descente rapide du piston et avec un circuit
basse pression 13 pour permettre la course retour de
ce piston.
Dans la forme d'execution representee au dessin,
le distributeur 10 est poussé par un ressort 14 en
direction de l'outil:3, conformement a l'objet du brevet
français 1,431,835.
Neanmoins, cet appareil pourrait se presenter
sous differentes formes, le distributeur 10 pouvant par
exemple être déplace non pas par le ressort mais par des
poussoirs mûs par la pression hydraulique, conformement
au certificat d'addition 2,045,289 au brevet fransais
1,431,835, ou encore être deplace par un piston plongeur
central a deux tiges opposees conformement au brevet fran-
çais 76 34376
Le fonctionnement de ce type d'appareil, quel que
soit le mode d'actionnement du distributeur, procede d'une
technique de base permettant de mettre la chambre 11
situee au-dessus du piston alternativement en relation
avec la haute et la basse pression, une section annulaire
de faible surface et antagoniste etant maintenue cons-
tamment a la haute pxession, de telle fa$on que la resul-
tante des forces hydrauliques soit orientee alternativement
dans un sens et dans l'autre.
- la -
~C~S353
L'etude du fonctionnement de cet appareil
montre que l'énergie cinétique emmagasinée dans le piston
de frappe 2 lancé a.grande.vitesse, se transforme au
moment de l'impact sur l'outil 3 en une onde de com-
pression, qui va parcourir l'outil a la vitesse du sondans le metal, puis se transformer au contact de la
roche en une force susceptible de la fracturer. En fait,
une fraction seulerent de cette
/
- lb -
B
énergie est absorbée par la roche, le solde étant restitué
à l'ou-til sous forme d'une onde de compression qui revient
vers llappareil.
Cette onde de compression en retour est habituellement
dissipée soit dans le corps de l'appareil par l'intermé-
diaire de la collerette 15 de l'outil 3, soit restituée
au piston sous forme d'énergie cinétique. Dans ce cas,
le piston rebondit et repousse le fluide vers le circuit
basse pression sous forme d'une onde de pression hydrau-
lique habituellement dénommée "coup de bélier" dans les
installations hydrauliques.
Dans les deux cas, non seulement cette énergie en re-
tour est irrémédiablement perdue, mais encore elle induit
des sollicitations nuisibles à la bonne tenue du matériel,
et notamment l'usure rapide des collerettes de contact entre
l'outil et le corps de l'appareil, la fatigue du flexible
basse pression ou encore l'échauffement dû à la dissipa-
tion de l'énergie de l'onde de retour.
En outre, il faut noter que, dans la mesure où l'onde
de compression en retour dans l'outil est restituée au
piston 50US forme d'énergie cinétique, le piston est aidé
dans sa course de retour, et les paramètres de fonctionne-
ment sont modifiés dans le sens d'une diminution de la
haute pression proportionnellement à la dureté de la roche,
cette diminution de pression etant préjudiciable à l'effi-
cacite de l'appareil.
Le but de l'invention est de pe~mettre la récupération
de l'énergie contenue dans l'onde de compression en retour
dans l'outil, afin de la réutiliser ultérieurement.
A cet effet, l'appareil qu'elle concerne comprend,
d'une part, un clapet anti-retour 22 permettant le passage
de fluide de la chambre 11 située au-dessus du piston de
frappe vers le circuit haute pression 12 et, d'autre part,
des moyens assurant un déplacement séquentiel du distribu-
teur 10, de telle sorte que, partant d'une position dans
laquelle la chambre _ située au dessus du piston est en
communication avec la haute pression 12, le distributeur se
déplace très rapidement jusqu'à une position dans laquelle
il coupe la communication entre ladite chambre et la haute
4~ pression, puis à vitesse réduite et contrôlée, de manière
à retarder la mise en communication de la chambre 11 avec
~ Z~S3S3
le réseau basse pression 13, afin de permettre pendant
toute la durée d'isolement de la chambre située au-dessus
du piston vis-à-vis des réseaux haute pression et basse
pression, la récupération maximale de l'énergie de resti-
tution, par compression du fluide isolé dans la chambreet passage de celui-ci dans le réseau haute pression par
le clapet anti-retour.
Cet agencement présente des avantages nombreux et
importants, à savoir :
- une moindre usure de la collerette d'appui de l'outil ;
- une meilleure tenue des flexibles basse pression
puisque les coups de bélier à ce niveau sont supprimés ;
~- pour un débit donné, est obtenue une augmentation
de la fréquence des impacts puisque l'on peut disposer
de tout le fluide récupéré en plus du fluide fourni à
l'appareil. Cette augmentation de fréquence équivaut au
raccourcissement de la durée de chaque cycle, et entraîne
une modification des paramètres de fonctionnement en sens
inverse que précédemment, c'est-à-dire dans le sens d'une
augmentation de la haute pression donc de l'efficacité de
chaque impact proportionnellement à la dureté du rocher ;
- une diminution de l'échauffement habituellement dû
à la dissipation de l'énergie de l'onde de retour,ce qui
est favorable à la bonne tenue dans le temps des organ~s
de l'appareil ,
- cette amélioration des conditions de fonctionnement
permet également une diminution de l'amplitude de recul
et des vibrations que doit encaisser le bras support de
l'appareil.
Avantageusement, le temps de dépla~ement du distribu-
teur entre la fermeture de la communication entre la
chambre située au-dessus du piston et le réseau haute
pression, et la mise en communication de cette même chambre
avec le réseau basse pression, est égal au temps nécessaire
pour la restitution la plus importante connue en fonction
des roches les plus dures.
Cette caractéristique permet une récupération maximale
d'énergie quelle que soit la nature du matériau à briser
avec cet appareil à percussions.
Conformément à une autre caractéristique de l'invention,
le distributeur subit un nouveau mouvement d'accélération
12~jS3S3
dès que la chambre située au-dessus du piston est en com-
munication avec le réseau basse pression, de manière à
dégager largement cette ouverture et permettre un déplace-
ment libre de la masse frappante mobile.
Selon une forme d'exécution de l'invention, le dis-
tributeur comporte deux parties de sections différentes,
à savoir une partie située du côté du piston, de section
correspondant à la section du cylindre dans lequel est
monté coulissant le piston de frappe, et une partie de
section plus importante située du caté opposé au piston,
cette partie de section plus importante étant montée dans
une cavité qui, prolongeant le cylindre, est de section
supérieure à celle de la partie de grande section du dis-
tributeur, cette partie de grande section du distributeur
pouvant pénétrer dans une chambre de même section qu'elle,
disposée entre le cylindre et la cavité élargie, le début
de la pénétration dans cette chambre se faisant lorsque le
distributeur arrive dans une position dans laquelle il
ferme la communication entre la chambre située au-dessus
du piston et le réseau haute pression, le volume annulaire
délimité par la chambre de section intermédiaire et par
le raccord entre les deux sections du distributeur commu-
niquant avec la chambre située au-dessus du piston par au
moins un orifice de fuite calibré.
Quand la totalité de la partie de grande section ou
collerette du distributeur, se trouve dans la cavité située
au-dessus du cylindre, le distributeur ne subit aucun frei-
nage et se déplace rapidement en direction du piston.
Lorsque la couronne correspondant au raccordement des
deux sections du distributeur vient ~ermer la chambre an-
nulaire, il se produit, à l'intérieur de cette dernière,
une compression du fluide qu'elle contient, se traduisant
par un ~reinage brutal du mouvement du distributeur. A
partir~de ce moment, le mouvement du distributeur ne peut
se poursuivre que par échappement de fluide par l'orifice
calibré. C'est donc de la section de ce dernier que dépend
la vitesse de déplacement du distributeur entre la position
dans laquelle il assure la séparation entre la chambre
située au-dessus du piston et le réseau haute pression et
celle où il met en communication cette dernière avec le
réseau basse pression.
.
~,Z(~S353
Selon une premiere possibilité, l'orifice
calibré permettant l'échappement de fluide hors de la
chambre annuIaire est ménage dans la paroi limitant
extérieurement cette derniare.
Selon une autre possibilit~, un canal est
menagé axialement dans le distributeur, dont l'extrémité
debouchant dans la couronne raccordant les zones de
différentes sections du distributeur forme l'orifice
calibré assurant l'échappement de fluide hors de la
B
~1.2~53S3
Le distributeur 10 comprend deux parties de sections
différentes, à savoir une partie inférieure 16 de diamètre
correspondant à celui du cylindre 4 dans lequel se déplace
le piston de frappe 2, engagé dans l'extrémité supérieure
de ce cylindre, et une partie supérieure 17 de section plus
importante. Cette partie 17 est logée dans une cavité 18
de section sensiblement supérieure à la sienne.
Dans la forme d'exécution représentée à la figure 6,
l'augmentation de section de la cavité 18 par rapport à
celle 17 du distributeur, est obtenue par ménagement d'un
évidement latéral en forme de demi-lune, tandis qu'à la
figure 7, la cavité 18 comprend deux évidements diamétra-
lement opposés, chacun en forme de demi-lune.
La partie 17 du distributeur peut, néanmoins, pénétrer
dans une chambre 19 de section correspondant à la sienne,
la chambre 19 prolongeant le cylindre 4. Les d~men~sionne~
ments de la chambre 19 et de la partie élargie 17 ou colle-
rette du distributeur sont tels que le distributeur assure
la ferm~ture du passage entre la haute pression 12 et la
chambre 11 située au-dessus du piston lorsque la collerette
17 arrive au niveau de la chambre 19 et vient obturer celle-
ci .
La communication entre la chambre annulaire 19 et la
cavité 18 n'est plus assurée que par un orifice calibré 20.
Entre la cavité 18 mise en communication avec la cham-
bre 11 par le déplacement du distributeur et le réseau
haute pression 12 est prévu un clapet anti-retour désigné
par la référence générale 22, dont la description sera donnée
plus loin.
Le clapet anti-retour 27 vise à permettre le passage
de fluide sous pression de la chambre 11 vers le réseau
haute pression 12.
Le fonctionnement de cet appareil est le suivant :
Dans un premier temps, comme montré à la figure 1,
le distributeur 10 .se déplace très rapidement de la position
dans laquelle l'admission haute pression se produit, vers
une position de fermeture de la haute pression correspon-
dant à la figure 2. Cette phase correspond au déplacement
(dO,dl) pendant la période (tO,tl) du diagramme de figure
13. Ce déplacement rapide est rendu possible du fait que
les deux faces de la collerette 17 du distributeur sont
53~3
maintenues en relation hydraulique par de larges ca-
naux au niveau de la cavité 18. Lorsque la couronne 23
de raccordement des zones de sections différentes du dis-
tributeur arrive au niveau de la chambre 19 et vient obtu-
rer celle-ci, un certain volume de fluide est comprimé
dans ladite chambre, la poursuite du mouvement de dépla-
cement du distributeur ne pouvant être obtenue que par
échappement du fluide par l'orifice calibré 20. Par l'a-
justement de la section de l'orifice 20, il est possible
de contrôler le temps de déplacement du distributeur entre
la position qu'il occupe à la figure 2 et la position qu'il
occupe à la fi~ure 4, ces deux positions correspondant,
respectivement, à la fermeture de la haute pression et à
l'ouverture du réseau basse pression 13.
Ce temps de déplacement pendant lequel la chambre 11
sera isolée à la fois des réseaux haute pression 12 et
basse pression 13 va permettre, comme montré à la figure 3,
la récupération maximale de l'énergie de restitution par
passage du fluide comprimé par le piston de frappe 2 de la
chambre 11 vers le réseau haute pression et plus précisé-
ment vers l'accumulateur 24 de celui-ci par l'intermédiaire
du clapet anti-retour _ ~ cette phase correspondant au
déplacement (dl,d2) du distributeur pendant la période (tl,t2)
du diagramme de figure 13.
La r~cupération d'énergie de restitution étant achevée,
le distributeur poursuit sa course vers le bas jusqu'à
la position représentée à la figure 5. La chambre 11, située
au-dessus du piston, est progressivement mise en relation
avec le circuit basse pression par les canaux 7, 9, autori-
sant la course de retour du piston de frappe 2, en assurant
la vidange du fluide contenu dans cette chambre. Cette phase
se traduit par le déplacement (d2,d3) du distributeur, re-
présenté au diagramme de la figure 13.
La figure 8 représente une variante de la mise à
l'échappement de la chambre annulaire 19. Dans ce cas, un
canal 25 est ménagé axiaIement dans le distributeur, qui
débouche dans la couronne 23 reliant ses zones de sections
différentes~ La fonction d'échappement du fluide par le
canal 25 est exactement la même que par l'orifice calibré
20.
Selon une première possibilité représentée aux figures
~L,Z~353S;~
1 a ~, e~ ~, le clapet antl-re~our ~ est rappel~ ~ur
son siège, grâce à une chambre centrale 26 située sous la
tête du clapet, qui est reliée par un canal 29 au réseau
basse pression.
S Dans la forme d'exécution représentée à la figure 9,
le clapet anti-retour 22 est rappelé sur son siège grâce
à une chambre annulaire 27 qui, résultant de la différence
entre deux diamètres 28a et 28b,est reliée par un canal 29
au réseau basse pression.
Dans la forme d'exécution représentée à la figure 10,
le clapet 22 est maintenu en position ~ermée par la dé-
pression existant entre le réseau haute pression 12 et
la chambre 11 dès que le sens de circulation du fluide
tend à s'inverser, du fait que la levée du clapet est
limitée par une butée 30 à un jeu réduit J.
Dans la forme d'exécution représentée à la figure 11,
le clapet 22 est rappelé en po.sition de fermeture par un
ressort 32 prenant appui, d'une part sur le clapet et,
d'autre part, sur une butée 33 située du côté du réseau
haute pression~
La figure 12 du dessin représente une variante de
réalisation de l'appareil des figures 1 à 5, dans lequel
le distributeur 10 n'est plus soumis à l'action d'un
~ ressort 14, mais à l'action d'un piston plongeur central
34 à deux tiges opposées. Dans ce cas, il n'est pas possi-
; ble de prévoir le dispositif de rappel de clapet représen-
té à la figure 8, l'un quelconque de ceux représentés aux
figures 9 à 11 pouvant être envisagé.
Dans la orme d'exécution représentée aux figures
14 et 15, le distributeur 10 présente une gorge 35 ménagée
: entre les parties cylindriques 16 et 17. Dans le corps du
: ~ cylindre 4 est en outre ménagé au moins un canal 36 large-
ment dimensionné qui, débouchant dans la cavité dans
laa,~elle coulisse la partie cylindrique 16, communique avec
la cavité 18. Le canal 36 est en outre positionné de
manière à mettre en communication le volume annulaire ména-
gé par la gorge 35 avec le réseau basse pression, dès que
la position du distributeur 10 assure la mise ~n communi-
cation de la chambre 11 avec le réseau basse pression.
Ceci permet une nouvelle accélération du mouvement du dis-
1~53S3
tributeur.
Dans la forme d'exécution représentée aux figures 16
et 17, l'échappement de fluide hors de la chambre 18
est réalisé par un canal 25, comme dans le cas représenté
à la figure 8. Une gorge 37 est ménagée à la périphérie
de la chambre 19, et un canal 38 est ménagé dans le dis-
tributeur, susceptible de mettre largement la chambre 19
en communication avec le réseau basse pression, dès que
la position du distributeur 10 assure la mise en commu-
nication de la chambre 11 avec le réseau basse pression.
Comme il ressort de ce qui précède, l'invention
apporte une.grande amélioration à la technique existante
en fournissant un appareil à percussions dont la struc-
ture n'est pas plus complexe que celle des appareils tra-
ditionnels, et qui possède des performances et une fiabi-
lité bien supérieures à celles de ces derniers.
