Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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WO 03/078107 PCT/FR03/00859
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Marteau perforateur hydraulique roto-percutant
La présente invention se rapporte à un marteau perforateur
hydraulique roto-percutant plus spécialement utilisé sur une installation de
forage.
Une installation de forage comprend un marteau perforateur
hydraulique roto-percutant coulissant sur une glissière et entraînant une ou
plusieurs barres de forage, la dernière de ces barres portant un outil appelé
taillant qui est contact de la roche. Un tel marteau perforateur a
généralement
pour objectif de forer des trous plus ou moins profonds afin de pouvoir y
placer
des charges explosives. Le marteau perforateur est donc l'élément principal
qui, d'une part, confère au taillant la mise en rotation et la mise en
percussion
par l'intermédiaire des barres de forage de façon à pénétrer la roche, et
d'autre
part, fournit un fluide d'injection de manière à extraire les débris du trou
foré.
Un marteau perforateur comprend un mécanisme, animé par un ou
plusieurs débits de fluide hydraulique provenant d'un circuit principal
d'alimentation du mécanisme de frappe, agissant sur les barres de forage par
l'intermédiaire d'un emmanchement qui est apte à retransmettre, d'une part,
les
chocs successifs provoqués par un piston de frappe, et d'autre part, la mise
en
rotation due à un moteur rotatif hydraulique.
L'effort d'appui du marteau perforateur sur les barres de forage, et
donc par transmission du taillant sur la roche, est obtenu à l'aide du moteur
hydraulique de la glissière. Plus précisément, l'effort d'appui est transmis
du
corps du marteau perforateur à l'emmanchement par l'intermédiaire d'un
élément de butée incorporé dans le marteau perforateur. Cet élément de butée
peut être constitué d'une pièce fixe de frottement rotatif, mais plus
généralement, pour des marteaux perforateurs puissants, d'un piston de butée
dont une surface est alimentée hydrauliquement de façon à assurer une
transmission de l'effort d'appui au moyen d'un fluide.
Les demandes de brevet européen EP 0 058 650 et EP 0 856 637
divulguent des dispositions de piston de butée pour lesquelles l'alimentation
hydraulique provient du circuit principal d'alimentation du mécanisme de
frappe. Mais, lorsque l'opérateur ferme ce circuit principal d'alimentation et
n'active par exemple que le moteur rotatif, la surface du piston de butée
n'est
plus alimentée hydrauliquement et le piston peut donc entrer en contact direct
avec le corps du marteau perforateur, ce qui peut entraîner des dégâts
considérables.
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La présente vise un marteau perforateur (1, 101, 201) hydraulique roto-
percutant comprenant un corps (2,102) renfermant un piston de frappe (4)
alternatif
coulissant sous l'effet d'un circuit principal (22) d'alimentation
hydraulique, ce circuit
principal étant également destiné à provoquer le coulissement d'un piston de
butée
(5) sensiblement annulaire logé dans une cavité (3) du corps et possédant,
d'une
part, une face avant (13) destinée à positionner un emmanchement (7) à une
distance prédéterminée du piston de frappe, et d'autre part, une face arrière
(14) en
regard d'une paroi arrière (15) de la cavité, caractérisé en ce qu'un circuit
externe
(23) d'alimentation hydraulique est apte, lors de l'arrêt du circuit
principal, à
introduire un fluide sous-pression entre la face arrière du piston de butée et
la paroi
arrière de la cavité de façon à maintenir un espace entre celles-ci, et en ce
que le
circuit externe (23) débouche dans une extrémité arrière (15) de la cavité (3)
et en
ce qu'une chemise (6,106) annulaire coulissante est placée autour de la partie
arrière du piston de butée (5) et est apte à, d'une part, empêcher
l'introduction du
fluide délivré par le circuit externe lorsqu'une pression régnant dans une
chambre
arrière (17) est supérieure ou égale à une valeur déterminée (P), et d'autre
part,
autoriser l'introduction de ce fluide lorsque la pression régnant dans la
chambre
arrière est inférieure à la valeur déterminée (P).
Ainsi, le fait d'associer un circuit externe d'alimentation
indépendant, capable de délivrer un fluide entre la face arrière du piston de
butée et la paroi arrière de la cavité, offre la possibilité à l'opérateur de
fermer
en toute sécurité le circuit principal car ce fluide permet de constituer un
coussin hydraulique qui empêche le frottement du piston de butée sur le corps
du marteau perforateur.
Avantageusement, le circuit externe d'alimentation débouche dans
la paroi arrière de la cavité et une chemise annulaire coulissante est placée
autour de la partie arrière du piston de butée et est apte à, d'une part,
empêcher l'introduction du fluide délivré par le circuit externe
d'alimentation
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lorsque la pression régnant dans la chambre arrière annulaire est supérieure
ou égale à une valeur déterminée (P), et d'autre part, autoriser
l'introduction de
ce fluide lorsque la pression régnant dans la chambre arrière annulaire est
inférieure à la valeur déterminée (P).
Préférentiellement, le piston de butée présente une partie avant, un
épaulement central et une partie arrière, ledit épaulement central étant
encadré
par une chambre avant annulaire et par une chambre arrière annulaire, et le
circuit principal d'alimentation est destiné à délivrer un fluide directement
dans
la chambre arrière et un canal de liaison est destiné à mettre la chambre
arrière en libre communication avec la chambre avant.
De plus, lorsque le circuit principal d'alimentation est activé, la face
arrière du piston de butée est mise à la pression d'un drain au moyen d'un
premier canal. Avantageusement, la chambre avant est également mise en
communication avec le drain au moyen d'un second canal dès lors que
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l'emmanchement est à une distance du piston de frappe inférieure à la
distance prédéterminée.
Selon un mode réalisation particulier de l'invention, le piston de
butée est destiné à coulisser à l'intérieur d'un guide solidaire du corps.
Préférentiellement, la chemise possède une partie arrière présentant, d'une
part, un épaulement externe présentant une première surface arrière destinée
à coopérer avec le circuit externe d'alimentation, et d'autre part, un
renfoncement interne présentant une seconde surface arrière décalée.
Préférentiellement encore, une chambre sensiblement annulaire reliée au
circuit principal est prévue entre l'épaulement externe de la chemise et une
extrémité arrière du guide. Enfin, la face avant du piston de butée possède
avantageusement un diamètre sensiblement supérieur à celui de la face
arrière.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée
qui est exposée ci-dessous en regard des dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 est une vue en coupe longitudinale du marteau
perforateur selon l'invention muni de barres de forage au contact de la roche.
La figure 2 est une vue en coupe longitudinale et à échelle
agrandie du marteau perforateur représenté à la figure 1 lorsque le circuit
principal d'alimentation hydraulique est activé et que l'emmanchement est à la
distance prédéterminée du piston de frappe.
La figure 3 est une vue en coupe similaire à la figure 2 lorsque le
circuit principal d'alimentation hydraulique est fermé.
La figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'un marteau
perforateur selon un autre mode de réalisation de l'invention lorsque le
circuit
principal d'alimentation hydraulique est activé et que l'emmanchement est à la
distance prédéterminée du piston de frappe.
La figure 5 est une vue en coupe longitudinale du marteau
perforateur de la figure 4 lorsque le circuit principal d'alimentation
hydraulique
est fermé.
La figure 6 est une vue en coupe longitudinale d'un marteau
perforateur similaire à celui représenté à la figure 4, à la seule différence
que la
face avant du piston de butée possède un diamètre sensiblement supérieur à
celui de la face arrière.
En se référant aux figures 1 à 3, un marteau perforateur 1 selon
l'invention présente un corps 2 comprenant une cavité 3 qui se prolonge vers
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l'arrière en un alésage 31 contenant un piston de frappe 4. Plus précisément,
la
cavité 3 renferme un piston de butée 5 sensiblement annulaire qui peut
coulisser autour du piston de frappe 4, une chemise 6 annulaire, un
emmanchement 7 et un moteur rotatif 8. L'emmanchement 7 est relié à des
barres de forage 9 qui agissent sur un taillant 10 au contact de la roche 11.
Le piston de butée 5 présente une partie avant, un épaulement
central 12 et une partie arrière, l'épaulement central comportant une surface
annulaire avant 25 et une surface annulaire arrière 26. Au niveau de sa partie
avant et de sa partie arrière, le piston de butée est muni respectivement
d'une
face avant 13 et d'une face arrière 14. Plus particulièrement, la face avant
13
est au contact de l'emmanchement 7 et la face arrière 14 est en regard d'une
paroi arrière 15 de la cavité 3. La chemise 6 est placée autour de la partie
arrière du piston de butée 5 et peut coulisser avec étanchéité le long de
celle-
ci. Par ailleurs, la partie avant du piston de butée 5, la surface avant 25 de
l'épaulement central 12 et le corps 2 définissent une chambre avant 16
annulaire. De même, la partie arrière du piston de butée 5, la surface arrière
26
de l'épaulement central 12, le corps 2 et la chemise 6 définissent une chambre
arrière 17 annulaire.
Un canal de liaison 18 est prévu de façon à pouvoir, en
fonctionnement, mettre la chambre avant 16 et la chambre arrière 17 à la
même pression. Un premier canal 30 traversant longitudinalement le piston de
butée 5 sur toute sa partie arrière permet de mettre la face arrière 14 du
piston
de butée 5 à la pression d'un drain 19 par l'intermédiaire d'une gorge 20.
Enfin,
un second canal 21 ménagé dans la partie avant du piston de butée permet la
mise en communication de la chambre avant 16 avec la gorge 20 et le
drain 19.
Un circuit principal 22 d'alimentation hydraulique du marteau
perforateur 1 est relié à l'alésage 31 contenant le piston de frappe 4, mais
également à la chambre arrière 17. De plus, un circuit externe 23
d'alimentation hydraulique indépendant du circuit principal 22 présente une
extrémité débouchant dans l'extrémité arrière 15 de la cavité 3 au niveau de
la
chemise 6.
En fonctionnement, le moteur hydraulique de la glissière (non
représenté) contenant le marteau perforateur 1 applique un effort d'appui sur
le
corps 2, comme illustré par la flèche 24. Cet effort d'appui est transmis au
piston de butée 5 au moyen du circuit principal 22, qui génère un fluide sous-
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pression dans la chambre arrière 17 de façon à exercer des contraintes sur la
surface arrière 26 de l'épaulement 12 et sur la chemise 6. Le piston de butée
5
est alors amené à coulisser vers l'avant et transmet l'effort d'appui par sa
face
avant 13 à l'emmanchement 7, et donc aux barres de forage 9 et au taillant 10.
5 En revanche, la chemise 6 est poussée vers l'arrière et obture le circuit
externe 15. Grâce au canal de liaison 18, le piston de butée 5 stoppe sa
course car un équilibre des pressions est établi entre la chambre avant 16 et
la
chambre arrière 17 de sorte que l'emmanchement 7 est alors placé à une
distance adéquate prédéterminée du piston de frappe 4. Il est à noter que
l'emmanchement 7 est maintenu dans cette position car, s'il tendait à reculer,
le second canal 21 serait apte à mettre la chambre avant 16 en communication
avec le drain 19, ce qui aurait pour conséquence de déplacer le piston de
butée 5 vers l'avant. Enfin, le piston de frappe 4 peut venir percuter
l'emmanchement 7 en coulissant dans son logement 31 sous l'effet de la
pression du fluide du circuit principal 22. De même, le moteur rotatif peut
être
actionné et agir sur l'emmanchement 7.
En revanche, lorsque le marteau perforateur 1 n'est plus alimenté
par le circuit principal 22, la pression régnant dans la chambre arrière 17
chute,
ce qui a pour effet de provoquer le recul du piston de butée 5 vers
l'extrémité
arrière 15 de la cavité 3 du corps 2. La face arrière 14 du piston de butée
n'est
alors rapidement plus mise à la pression du drain 19 car le canal de liaison
30
est progressivement obturé. Lorsque la pression dans la chambre arrière 17
devient inférieure à une valeur P déterminée, le fluide sous-pression délivré
par
le circuit externe 23 exerce alors des contraintes suffisantes sur la chemise
6
pour obliger celui-ci à coulisser vers l'avant. Par conséquent, le fluide
s'intercale entre la face arrière 14 du piston de butée 5 et la paroi arrière
15 de
la cavité 3 de façon à empêcher tout contact entre elles. Il est à noter que
le
moteur rotatif 8 peut continuer à fonctionner même lorsque le circuit
principal 22 est fermé.
Aux figures 4 et 5 est décrit marteau perforateur 101 selon le mode
particulier de l'invention. Nous ne décrirons ci-après que les différences
existant entre ce marteau perforateur 101 et celui représenté aux figures 1 à
3.
Ce marteau perforateur 101 présente un corps 102 et diffère principalement de
celui représenté aux figures 1 à 3 par le fait que, d'une part, le piston de
butée 5 est désormais amené à coulisser à l'intérieur d'un guide 103 solidaire
du corps 102, et d'autre part, la chemise 6 est remplacée par une chemise 106
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dotée d'un épaulement externe 107 et d'un renfoncement interne. Plus
précisément, l'épaulement externe 107 présente une première surface
arrière 108 destinée à coopérer avec le circuit externe 23 et le renfoncement
interne présente une seconde surface arrière 109 décalée par rapport à la
première surface arrière 108. En fonctionnement, cette seconde surface
arrière 109 est alors mise à la pression du drain 19. De plus, une chambre 110
sensiblement annulaire est prévue entre l'épaulement externe 107 et une
extrémité arrière 111 du guide 103, et cette chambre annulaire 110 est reliée
au circuit principal 22 d'alimentation hydraulique.
Le fonctionnement du marteau perforateur 101 est similaire à celui
décrit précédemment pour le marteau perforateur 1. Il faut seulement
remarquer que lorsque le marteau perforateur 101 est alimenté par le circuit
principal 22, le fluide sous-pression est délivré dans la chambre arrière 17
mais
également dans la chambre 110. L'avantage de ce mode de réalisation
particulier de l'invention réside dans le fait que la surface avant 25 et la
surface
arrière 26 de l'épaulement 12 du piston de butée 5, ainsi que les première et
seconde surfaces arrières 107, 108 de la chemise 106 peuvent être facilement
choisies de façon à ce que la pression minimum générée par le circuit
externe 23 nécessaire au déplacement de la chemise 106 soit très supérieure
à la pression générée par le circuit principal 22 dans la chambre arrière 17
et la
chambre 110.
La figure 6 décrit un marteau perforateur 201 qui diffère du marteau
perforateur 101 représenté aux figures 4 et 5 uniquement par le fait que la
face
avant 13 du piston de butée 5 possède un diamètre sensiblement supérieur à
celui de la face arrière 14. En fonctionnement, ceci a pour conséquence de
pousser le piston vers l'avant, même au-delà de sa position d'équilibre, car
lorsque la chambre avant 16 et la chambre arrière 17 sont à une pression
identique, la différence de diamètre entre la face avant 13 et la face arrière
14
induit la création d'une section annulaire supplémentaire de poussée vers
l'avant. Ceci a alors pour avantage de permettre à la face avant 13 du piston
de butée 5 de rester plus longtemps en contact avec l'emmanchement 7
malgré les mouvements vibratoires importants liés à la percussion du piston de
frappe 4 sur l'emmanchement 7.
Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec des exemples
particuliers de réalisation, il est bien évident qu'elle n'y est nullement
limitée et
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qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que
leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.
