EP4052854B1 - Perforateur hydraulique roto-percutant pourvu d'un piston de butée - Google Patents

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EP4052854B1
EP4052854B1 EP22158565.6A EP22158565A EP4052854B1 EP 4052854 B1 EP4052854 B1 EP 4052854B1 EP 22158565 A EP22158565 A EP 22158565A EP 4052854 B1 EP4052854 B1 EP 4052854B1
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EP
European Patent Office
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control chamber
piston
stop piston
pressure fluid
hammer drill
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EP22158565.6A
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EP4052854A1 (fr
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François-Xavier CHEYLUS
Michel ESCOLLE
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Montabert SAS
Original Assignee
Montabert SAS
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a rotary-percussive hydraulic drill more specifically used on a drilling installation.
  • a relevant example can be found in the document FR3077752 A1 .
  • a drilling installation comprises in a known manner a rotary-percussive hydraulic perforator mounted sliding on a slide and driving one or more drilling bars, the last of these drilling bars carrying a tool called a cutting edge which in contact with the rock.
  • a perforator generally aims to drill holes of varying depth in order to be able to place explosive charges there.
  • the perforator is therefore the main element of a drilling installation which, on the one hand, gives the bit the rotation and percussion via the drilling bars so as to penetrate the rock, and On the other hand, it provides an injection fluid so as to extract debris from the drilled hole.
  • a rotary-percussive hydraulic drill more particularly comprises on the one hand a striking system which is driven by one or more flow rates of hydraulic fluid coming from a main hydraulic supply circuit and which comprises a striking piston configured to strike, at each operating cycle of the drill, a fitting coupled to the drilling bars, and on the other hand a rotation system provided with a hydraulic rotary motor and configured to rotate the fitting and the drilling bars.
  • a pushing force is generally applied by the slide on the rotary-percussive hydraulic drill.
  • the thrust force is generated by the slide mainly by a cable or a drive chain, driven mainly by a hydraulic cylinder or a hydraulic motor.
  • the aforementioned thrust force is transmitted from the rotary-percussive hydraulic drill to the cutting edge via the shank and the drilling bars. More precisely, the thrust force is transmitted from the body of the perforator to the shank via a stop element incorporated in the body of the perforator.
  • This stop element can consist, for powerful perforators, of a stop piston of which at least one surface is hydraulically powered so as to ensure transmission of the thrust force by means of a fluid.
  • the thrust force must also partly compensate for the recoil force of the perforator which is mainly generated by the striking pressure and the striking frequency of the piston of typing and which grows with these parameters.
  • the cutter is only pressed against the rock by approximately the difference between the pushing force and the recoil force, as well as by the force exerted by the thrust piston on the shank.
  • WO2010/082871 discloses a rotary-percussive hydraulic perforator in which, under operating conditions of the striking system, the stop piston is positioned in an equilibrium position, conforming to a desired striking stroke of the striking piston, by means of a hydraulic control chamber delimited by the strike piston and the body of the perforator and permanently connected to a high pressure fluid supply conduit, the hydraulic control chamber being configured on the one hand to bias the stop piston forward and on the other hand to be connected to a low pressure fluid return conduit when the rear face of the stop piston is located at a predetermined distance from the rear wall of the cavity receiving the stop piston.
  • the configuration of the thrust piston and the body described in the document WO2010/082871 makes it possible to ensure approximately stable positioning of the stop piston during operation of the striking system, around a predetermined optimum working position.
  • the present invention aims to remedy all or part of these drawbacks.
  • the technical problem underlying the invention therefore consists of providing a hydraulic perforator which is simple and economical in structure, while having improved performance.
  • the particular configuration of the first control chamber and the connecting channel makes it possible to position the stop piston hydraulically in an approximately stable equilibrium position corresponding to an optimal striking stroke of the striking piston.
  • the specific configuration of the second control chamber makes it possible, due to the permanent connection of the latter with a fluidic communication channel provided with a calibrated orifice, to limit in amplitude the recoil movement of the stop piston because the pressure in the second control chamber increases more quickly thanks to the calibrated orifice and thus limits the stroke recoil of the stop piston. Also, when the stop piston advances, the pressure in the second control chamber decreases, again thanks to the calibrated orifice, which limits the advance force applied to the stop piston, and therefore the forward movement of the stop piston.
  • the specific configuration of the second control chamber makes it possible to better recenter the stop piston around its equilibrium position, and thereby prevent the stop piston from advancing to a front mechanical stop provided on the body, or the stop piston does not move back too much and comes into contact with the rear wall of the cavity receiving the stop piston.
  • the rotary-percussive hydraulic drill according to the present invention ensures on the one hand better support, direct or indirect, of the stop piston on the fitting and therefore optimized maintenance of the cutter against the rock during the striking phases of the striking piston, which considerably limits the risks of empty striking of the fitting and consequently the risks of damage to the fitting, the drilling bars and of the cutting edge, and on the other hand an optimized positioning of the fitting relative to the striking piston, which gives the rotary-percussive hydraulic drill according to the present invention improved performance.
  • the rotary-percussive hydraulic perforator makes it possible on the one hand to avoid reducing the strike stroke of the strike piston (and consequently to avoid limit the energy per blow of the rotary-percussive hydraulic perforator), and therefore to further increase the performance of the rotary-percussive hydraulic perforator, and on the other hand to prevent the stop piston from moving back until it touches the rear wall of the cavity, which could damage the body and the thrust piston.
  • the hydraulic drill may also have one or more of the following characteristics, taken alone or in combination.
  • the second control chamber is configured to be supplied with high pressure fluid only by the fluidic communication channel.
  • the fluidic communication channel comprises a first end portion opening into the second control chamber and a second end portion opening into an internal chamber which is partially delimited by the body and which is configured to be permanently supplied with high pressure fluid.
  • the rotary-percussive hydraulic drill comprises a main hydraulic power circuit configured to control reciprocating sliding of the striking piston along the striking axis.
  • the main hydraulic supply circuit is further configured to control sliding of the stop piston along the axis of movement, the main hydraulic supply circuit comprising the supply conduit in high pressure fluid and the low pressure fluid return line.
  • the body and the striking piston delimit at least in part a primary control chamber permanently connected to the high pressure fluid supply conduit and a secondary control chamber which is antagonistic to the primary control chamber, the rotary-percussive hydraulic drill further comprising a control distributor configured to fluidly connect the secondary control chamber alternately to the high pressure fluid supply conduit and to the low pressure fluid return conduit so as to control the strike and return strokes of the strike piston.
  • the main hydraulic supply circuit comprises a main high pressure fluid supply conduit and a main low pressure fluid return conduit
  • the body and the striking piston delimit at least in part a primary control chamber permanently connected to the main high-pressure fluid supply conduit and a secondary control chamber which is antagonistic to the primary control chamber
  • the rotary-percussive hydraulic perforator further comprising a control valve configured to fluidly connect the secondary control chamber alternately to the main high pressure fluid supply conduit and to the main low pressure fluid return conduit so as to control strike and return strokes of the piston struck.
  • the rotary-percussive hydraulic drill comprises a secondary hydraulic power circuit configured to control sliding of the stop piston along the axis of movement, the secondary hydraulic power circuit comprising the conduit high pressure fluid supply line and the low pressure fluid return line.
  • the second control chamber is permanently connected to the primary control chamber via the fluidic communication channel.
  • the second control chamber is permanently connected to the first control chamber via the fluidic communication channel.
  • the stop piston comprises a first annular control surface extending transversely to the axis of movement and delimiting at least in part the first control chamber and a second annular control surface s extending transversely to the axis of movement and delimiting at least partly the second control chamber.
  • each of the first and second annular control surfaces is oriented opposite the fitting, that is to say towards the rear wall of the cavity receiving the stop piston.
  • the second annular control surface has a surface greater than the surface of the first annular control surface.
  • each of the first and second annular control surfaces extends substantially perpendicular to the axis of movement.
  • the first annular control surface is closer to the front face of the stop piston than the second annular control surface.
  • the first annular control surface is further from the front face of the stop piston than the second annular control surface.
  • the body and the stop piston further delimit at least in part a third control chamber permanently connected to the low pressure fluid return conduit, the third control chamber being antagonistic to the first and second control chambers.
  • the third control chamber is configured to urge the stop piston backwards, that is to say towards the rear wall of the cavity and therefore opposite to the 'fitting.
  • the third control chamber is connected to the low pressure fluid return conduit by a channel.
  • additional fluidic communication can for example be provided with an additional calibrated orifice.
  • the connecting channel comprises a first end portion opening into the first control chamber and a second end portion opposite the first end portion and opening into an exterior surface of the stop piston, the second end portion of the connecting channel being able to be fluidly connected to the low pressure fluid return conduit when the rear face of the stop piston is located at a distance from the rear wall of the cavity which is greater than the predetermined value.
  • the body comprises an annular groove opening into the cavity and permanently connected to the low pressure fluid return conduit, the second end portion of the connecting channel being able to be fluidly connected to the annular groove when the rear face of the stop piston is located at a distance from the rear wall of the cavity which is greater than the predetermined value.
  • the connecting channel comprises a first end portion opening into the third control chamber and a second end portion opposite the first end portion and opening into an exterior surface of the stop piston, the second end portion of the connecting channel being capable of being fluidly connected to the first control chamber when the rear face of the stop piston is located at a distance from the rear wall of the cavity which is greater than the predetermined value.
  • the rotary-percussive hydraulic drill comprises a supply channel connecting the first control chamber to the high-pressure fluid supply conduit, the supply channel being provided with an orifice calibrated power supply.
  • the supply channel comprises a nozzle comprising the calibrated supply orifice.
  • the calibrated orifice has a passage section smaller than that of the calibrated supply orifice.
  • the stop piston is slidably mounted around the strike piston.
  • the main hydraulic supply circuit comprises a high pressure accumulator connected to the high pressure fluid supply conduit.
  • the main hydraulic supply circuit further comprises a low pressure accumulator connected to the low pressure fluid return conduit.
  • the third control chamber is permanently connected to the low pressure accumulator.
  • the annular groove is connected to the low pressure accumulator.
  • the rotary-percussive hydraulic drill further comprises a stop ring disposed axially between the fitting and the front face of the stop piston.
  • the stop piston comprises an annular bearing surface configured to abut against an annular stop surface of the body.
  • the annular support surface is inclined relative to the axis of movement.
  • the stop piston comprises an annular flange comprising the annular bearing surface.
  • the annular collar delimits at least partly the third control chamber.
  • the annular flange comprises the first annular control surface.
  • the annular bearing surface is configured to abut against the annular abutment surface of the body when the rear face of the abutment piston is located at a predetermined distance from the rear wall of the cavity, the predetermined distance being greater than the predetermined value.
  • the fluidic communication channel and the calibrated orifice are formed by an axial groove or an axial flat which is provided on the stop piston or on the body, and which connects the first control chamber to the second control chamber.
  • the fluid communication channel comprises a nozzle comprising the calibrated orifice.
  • the nozzle is provided with two passage orifices, one of which forms the calibrated orifice.
  • the two passage orifices can be angularly offset from each other by approximately 90° relative to a central axis of the nozzle.
  • the first control chamber is entirely delimited by the body and the stop piston.
  • the first control chamber is delimited in part by the body and the stop piston.
  • the second control chamber is entirely delimited by the body and the stop piston.
  • the second control chamber is delimited in part by the body and the stop piston.
  • the body and the striking piston partially or entirely delimit the primary control chamber.
  • the body and the striking piston partially or entirely delimit the secondary control chamber.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a rotary-percussive hydraulic drill according to a first embodiment of the invention.
  • figure 2 is a longitudinal sectional view, on an enlarged scale, of a detail of the figure 1 .
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a rotary-percussive hydraulic drill according to a second embodiment of the invention.
  • THE figures 1 And 2 represent a first embodiment of a rotary-percussive hydraulic perforator 2 which is intended for perforating blast holes, and which is provided in particular with a striking system.
  • the rotary-percussive hydraulic drill 2 more particularly comprises a body 3 comprising a piston cylinder 4.
  • the body 3 comprises a main body 3.1 partially delimiting the piston cylinder 4, as well as a front liner 3.2 and a rear liner 3.3 force-fitted in a bore 3.4 delimited by the main body 3.1.
  • the rotary-percussive hydraulic drill 2 also includes a striking system comprising a striking piston 5 mounted slidingly alternative in the piston cylinder 4 along a striking axis A. As shown more particularly on the figure 2 , the striking piston 5 and the piston cylinder 4 delimit a primary control chamber 6 which is annular, and a secondary control chamber 7 which has a larger section than that of the primary control chamber 6 and which is antagonistic to the primary control chamber 6.
  • the striking system of the rotary-percussive hydraulic drill 2 further comprises a control distributor 8 arranged to control a reciprocating movement of the striking piston 5 inside the piston cylinder 4 alternately following a striking stroke and a return stroke .
  • the control distributor 8 is configured to place the secondary control chamber 7, alternatively in relation with a high pressure fluid supply conduit 9, such as an incompressible fluid supply conduit (for example oil) to high pressure, during the striking stroke of the striking piston 5, and with a low pressure fluid return conduit 11, such as an incompressible fluid return conduit (for example oil) at low pressure, during the return stroke of the striking piston 5.
  • the high pressure fluid supply conduit 9 and the low pressure fluid return conduit 11 belong to a main hydraulic supply circuit with which the striking system is provided.
  • the main hydraulic supply circuit can advantageously comprise a high pressure accumulator 12 connected to the high pressure fluid supply conduit 9, and a low pressure accumulator 10 connected to the low pressure fluid return conduit 11.
  • the control distributor 8 is more particularly mounted movably in a bore formed in the body 3 between a first position (see the figure 2 ) in which the control distributor 8 is configured to place the secondary control chamber 7 in relation to the high pressure fluid supply conduit 9 and a second position in which the control distributor 8 is configured to place the control chamber secondary control 7 in relation to the low pressure fluid return conduit 11.
  • the primary control chamber 6 is advantageously permanently supplied with high pressure fluid by a supply channel connected to the high pressure fluid supply conduit 9, so that each position of the control distributor 8 causes the stroke impact of the impact piston 5, then the return stroke of the impact piston 5.
  • the striking system of the rotary-percussive hydraulic drill 2 also includes a stop piston 13 which is tubular and which is slidably mounted in a cavity 14 of the body 3 along an axis of movement substantially parallel to the striking axis A and preferably coincident with the striking axis A.
  • the stop piston 13 is slidably mounted around the strike piston 5, and the cavity 14 is formed in the body 3 coaxially with the piston cylinder 4.
  • the rotary-percussive hydraulic drill 2 further comprises a shank 15 intended to be coupled, in a known manner, to at least one drilling bar (not shown in the figures) equipped with a tool, also called a cutting edge.
  • the fitting 15 extends longitudinally along the striking axis A, and comprises a first end portion facing the striking piston 5 and provided with an end face 17 against which is intended to strike the piston of strikes 5 during each operating cycle of the rotary-percussive hydraulic perforator 2, and a second end portion (not shown in the figures), opposite the first end portion, intended to be coupled to the at least a drill bar.
  • the stop piston 13 comprising a front face 18 facing the fitting 15 and configured to position the fitting 15 in a predetermined equilibrium position relative to the striking piston 5, and a rear face 19 opposite the front face 18 and located opposite a rear wall 21 of the cavity 14.
  • the front face 18 of the stop piston 13 is configured to apply a thrust force directly on the fitting 15 or indirectly on the fitting 15 via a stop ring 20 interposed axially between the fitting 15 and the stop piston 13.
  • the body 3 and the stop piston 13 define, with the strike piston 5, a first control chamber 22 permanently connected to the high pressure fluid supply conduit 9 and configured to urge the stop piston 13 towards the 'front, that is to say towards the fitting 15 and therefore opposite the rear wall 21 of the cavity 14.
  • the rotary-percussive hydraulic drill 2 advantageously comprises a supply channel 23 connecting the first chamber control 22 to the high pressure fluid supply conduit 9.
  • the supply channel 23 is provided with a calibrated supply orifice 24, which can for example be provided on a nozzle incorporated in the supply channel 23.
  • the body 3 and the stop piston 13 also define a second control chamber 25 which is, like the first control chamber 22, configured to urge the stop piston 13 forward.
  • the second control chamber 25 is connected to the first control chamber 22 via a fluid communication channel 26 provided with a calibrated orifice 27, which can for example be provided on a nozzle incorporated in the communication channel fluid 26.
  • the second control chamber 25 is configured to be supplied with high pressure fluid only by the fluid communication channel 26.
  • the stop piston 13 comprises a first annular control surface 28, also called first annular active surface, extending perpendicular to the axis of movement and partly delimiting the first control chamber 22, and a second annular control surface 29, also called second annular active surface, extending perpendicular to the axis of movement and partially delimiting the second control chamber 25.
  • the second annular control surface 29 advantageously has a surface greater than the surface of the first surface of annular control 28.
  • the body 3 and the stop piston 13 also delimit a third control chamber 31 permanently connected to the low pressure fluid return conduit 11, via an additional fluid communication channel 32 opening into the third chamber control chamber 31.
  • the third control chamber 31 is antagonistic to the first and second control chambers 22, 25, and is thus configured to urge the stop piston 13 towards the rear.
  • the rotary-percussive hydraulic drill 2 further comprises a connecting channel 33 configured to fluidly connect the first control chamber 22 to the low pressure fluid return conduit 11 when the rear face 19 of the stop piston 13 is located at a distance of the rear wall 21 of the cavity 14 which is greater than a predetermined value.
  • the stop piston 13 comprises the connecting channel 33
  • the connecting channel 33 comprises a first end portion 33.1 opening into the first control chamber 22 and a second end portion 33.2 opposite the first portion of end 33.1 and opening into an exterior surface of the stop piston 13.
  • the second end portion 33.2 of the connecting channel 33 is capable of being fluidly connected to an annular groove 34, which opens into the cavity 14 and which is connected permanently to the low pressure fluid return conduit 11, when the rear face 19 of the stop piston 13 is located at a distance from the rear wall 21 of the cavity 14 which is greater than the predetermined value.
  • the stop piston stop 13 which is subjected, by the rock, to a force reactive to the thrust force exerted by the rotary-percussive hydraulic perforator 2, stops advancing, and finds an equilibrium position on the edge of the outlet of the channel connection 33 in the annular groove 34.
  • this equilibrium position makes it possible to locate the fitting 15 at a distance from the striking piston 5 which corresponds to a striking stroke C provided for the striking piston 5.
  • the calibrated supply orifice 24 is advantageously small in relation to the connection channel 33 and the additional fluid communication channel 32 so that the pressure which is established in the first control chamber 22 drops very quickly when the connecting channel 33 opens in the annular groove 34.
  • the calibrated orifice 27, of smaller section than the calibrated supply orifice 24, will gradually fill the second control chamber 25 with high pressure fluid, the pressure had dropped due to the increase in the volume of the second control chamber 25 (resulting from the advance movement of the stop piston 13) and the presence of the calibrated orifice 27 which prevents rapid filling of the second chamber order 25.
  • the pressure in the first control chamber 22 will increase to a first pressure level greater than the supply pressure thanks to the presence of the calibrated supply orifice 24, and the pressure in the second control chamber 25 will increase to a pressure level much higher than that of the first control chamber 22 thanks to the presence of the calibrated orifice 27 whose section is lower to that of the calibrated supply orifice 24.
  • the second annular control surface 29 being larger than the first annular control surface 28, and the level of pressure exerted on the second annular control surface 29 being much greater than that of the calibrated supply orifice 24. exerted on the first annular control surface 28, itself greater than it would have been without the presence of the calibrated supply orifice 24, the advance force exerted on the stop piston 13 becomes very significant, such that the recoil distance of the stop piston 13 will be small.
  • the pressures in the first and second control chambers 22, 25 increase rapidly because their volume remains substantially constant and they are force-fed.
  • high pressure fluid through the calibrated supply orifice 24 specifically calibrated in order to optimize the effectiveness of this feeding, the hydraulic resistance in the face of a sudden recoil of the stop piston 13 and the modulation of the pressure in the first control chamber 22.
  • the striking frequency of a hydraulic perforator generally exceeding 50 Hz, the cycle times of the striking piston 5 are very short, which allows, with the aforementioned architecture of the power system of the stop piston 13, to be able to play with the compressibility of the hydraulic fluid much more than with the supply flow rates.
  • the oil contained in the first control chamber 22 will only leave very little in the low pressure fluid return conduit 11 via the opening of the connecting channel 33, because the stop piston 13 will not be pushed too far forward in relation to the hydraulic equilibrium position thanks to the mechanisms previously explained.
  • the rotary-percussive hydraulic drill 2 also comprises a rotation drive system which is configured to rotate the fitting 15 around an axis of rotation which is substantially coincident with the striking axis A.
  • the system rotational drive comprises a member coupling member 35, such as a coupling pinion, which is tubular and which is arranged around the fitting 15.
  • the coupling member 35 comprises male coupling splines and female coupling splines which are coupled in rotation respectively with female and male coupling splines provided on the fitting 15.
  • the coupling member 35 comprises external peripheral teeth coupled in rotation with an output shaft of a drive motor 36, such as a hydraulic motor supplied hydraulically by an external hydraulic supply circuit, belonging to the rotational drive system.
  • the rotational drive system can for example comprise an intermediate pinion 37 which is coupled on the one hand to the output shaft of the drive motor 36 and on the other hand to the external peripheral teeth of the gearing member. coupling 35.
  • the fitting 15 When the rotary-percussive hydraulic drill 2 is in operation, the fitting 15 is rotated thanks to the drive motor 36, and the fitting 15 receives on its end face 17 the cyclic shocks of the striking piston 5, ensured by the striking system powered by the main hydraulic power circuit.
  • the carrier on which the hydraulic roto-percussive drill 2 is mounted applies a thrust force on the drilling bar, via the body 3 and the shank 15. Inside the hydraulic roto-percussive drill impacting 2, between the body 3 and the fitting 15, this thrust force is transmitted via the stop piston 13 and the stop ring 20.
  • the positioning of the stop piston 13 is thus purely hydraulic and is arranged so that the striking stroke C of the striking piston 5 is respected.
  • the stop piston 13 further comprises an annular bearing surface 39 configured to abut against an annular stop surface 41 provided on the body 3, so as to limit the forward movement of the stop piston 13. , that is to say towards the fitting 15.
  • the annular bearing surface 39 is configured to abut against the annular abutment surface 41 of the body 3 when the rear face 19 of the abutment piston 13 is located at a predetermined distance from the rear wall 21 of the cavity 14, the predetermined distance being greater than the predetermined value.
  • the annular support surface 39 is inclined relative to the axis of movement, and partly delimits the third control chamber 31.
  • FIG. 3 represents a second embodiment of the rotary-percussive hydraulic drill 2 which differs from the first embodiment essentially in that the additional fluidic communication channel 32 is provided with an additional calibrated orifice 42, which can for example be provided on a nozzle incorporated in the additional fluidic communication channel 32, and in that the first end portion 33.1 of the connecting channel 33 opens into the third control chamber 31 and the second end portion 33.2 of the connecting channel 33 opens into an exterior surface of the stop piston 13, the second end portion 33.2 of the connecting channel 33 being capable of being fluidly connected to the first control chamber 22 when the rear face 19 of the stop piston 13 is located at a distance from the rear wall 21 of the cavity 14 which is greater than the predetermined value.
  • the additional fluidic communication channel 32 is provided with an additional calibrated orifice 42, which can for example be provided on a nozzle incorporated in the additional fluidic communication channel 32, and in that the first end portion 33.1 of the connecting channel 33 opens into the third control chamber 31 and the second end portion 33.2 of the connecting channel 33 opens into an exterior
  • the first control chamber 22 When the rotary-percussive hydraulic drill 2 according to the second embodiment of the invention is in operation, the first control chamber 22 is subjected to high pressure, the stop piston 13 moves forward until that the second end portion 33.2 of the connecting channel 33 opens into the first control chamber 22.
  • the oil under high pressure then flows into the third control chamber 31 which connects with the return channel 27 is throttled by the additional calibrated orifice 42.
  • the first and third control chambers 22, 31 then take fairly close pressures, which reduces or cancels the forward thrust of the stop piston 13. Consequently, the piston of stop 13 will find a stable operating position around this position of the second end portion 33.2 of the connecting channel 33.
  • the second control chamber 25 is connected to the first control chamber 22 via a fluid communication channel 26 provided with a calibrated orifice 27, performing the same function as in the first embodiment.
  • the fluid communication channel 26 is however provided on the body 3, and for example on the rear jacket 3.3.
  • the stop piston 13 comprises an annular flange 43, also called annular shoulder, which comprises the annular bearing surface 39 and the first annular control surface 28.
  • annular flange 43 advantageously partly delimits the first control chamber 22 and partly the third control chamber 31.
  • the supply channel 23 may be devoid of a calibrated orifice, or of any other specific throttling element.
  • the first control chamber 22 is delimited only by the body 3 and the stop piston 13 and the second control chamber 25 is delimited by the body 3, the stop piston 13 and the striking piston 5.
  • the fluidic communication channel 26 could be configured to connect the second control chamber 25 to the primary control chamber 6, still being provided with a calibrated orifice 27.
  • the fluidic communication channel 26 and the calibrated orifice 27 could be formed by a calibrated axial flat or a calibrated axial groove connecting either the first control chamber 22 to the second control chamber 25 or either the primary control chamber 6 to the second control chamber 25.
  • the calibrated axial flat or the calibrated axial groove can for example be provided on the body 3 or the stop piston 13.

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Description

  • La présente invention se rapporte à un perforateur hydraulique roto-percutant plus spécialement utilisé sur une installation de forage. Un exemple relevant peut être retrouvé dans le document FR3077752 A1 .
  • Une installation de forage comprend de façon connue un perforateur hydraulique roto-percutant monté coulissant sur une glissière et entraînant une ou plusieurs barres de forage, la dernière de ces barres de forage portant un outil appelé taillant qui au contact de la roche. Un tel perforateur a généralement pour objectif de forer des trous plus ou moins profonds afin de pouvoir y placer des charges explosives. Le perforateur est donc l'élément principal d'une installation de forage 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 perforateur hydraulique roto-percutant comprend plus particulièrement d'une part un système de frappe qui est animé par un ou plusieurs débits de fluide hydraulique provenant d'un circuit principal d'alimentation hydraulique et qui comprend un piston de frappe configuré pour frapper, à chaque cycle de fonctionnement du perforateur, un emmanchement couplé aux barres de forage, et d'autre part un système de rotation pourvu d'un moteur rotatif hydraulique et configuré pour mettre en rotation l'emmanchement et les barres de forage.
  • Afin de maintenir le taillant en appui contre la roche, une force de poussée est généralement appliquée par la glissière sur le perforateur hydraulique roto-percutant. De façon avantageuse, la force de poussée est générée par la glissière grâce principalement à un câble ou une chaîne d'entraînement, mu(e) principalement par un vérin hydraulique ou un moteur hydraulique.
  • La force de poussée précitée est transmise du perforateur hydraulique roto-percutant au taillant par l'emmanchement et les barres de forage. Plus précisément, la force de poussée est transmise du corps du perforateur à l'emmanchement par l'intermédiaire d'un élément de butée incorporé dans le corps du perforateur. Cet élément de butée peut être constitué, pour des perforateurs puissants, d'un piston de butée dont au moins une surface est alimentée hydrauliquement de façon à assurer une transmission de la force de poussée au moyen d'un fluide. La force de poussée doit également compenser en partie la force de recul du perforateur qui est principalement engendrée par la pression de frappe et la fréquence de frappe du piston de frappe et qui croit avec ces paramètres. Au final, le taillant n'est plaqué contre la roche que par approximativement la différence entre la force de poussée et la force de recul, ainsi que par la force exercée par le piston de butée sur l'emmanchement.
  • La stabilité et la performance en vitesse de pénétration d'un perforateur hydraulique roto-percutant, lorsqu'il fonctionne, dépendent notamment de la façon dont le piston de butée est disposé et alimenté hydrauliquement.
  • Le document WO2010/082871 divulgue un perforateur hydraulique roto-percutant dans lequel, en conditions de fonctionnement du système de frappe, le piston de butée est positionné dans une position d'équilibre, conforme à une course de frappe souhaitée du piston de frappe, par l'intermédiaire d'une chambre de commande hydraulique délimitée par le piston de frappe et le corps du perforateur et reliée de façon permanente à un conduit d'alimentation en fluide à haute pression, la chambre de commande hydraulique étant configurée d'une part pour solliciter le piston de butée vers l'avant et d'autre part pour être reliée à un conduit de retour de fluide à basse pression lorsque la face arrière du piston de butée est située à une distance prédéterminée de la paroi arrière de la cavité recevant le piston de butée.
  • La configuration du piston de butée et du corps décris dans le document WO2010/082871 permet d'assurer un positionnement approximativement stable du piston de butée pendant le fonctionnement du système de frappe, autour d'une position de travail optimum prédéterminée.
  • Cependant, les vibrations et réactions de la roche aux chocs répétés du taillant rendent instable la force d'appui de l'outil de la barre de forage sur la roche, en particulier lors des mouvements de l'outil dus à la pénétration de la barre de forage dans le terrain et aux vibrations diverses du corps du perforateur. Or, une telle instabilité de la force d'appui du taillant sur la roche nuit au positionnement de l'emmanchement par rapport au piston de frappe et donc aux performances du perforateur hydraulique.
  • La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients.
  • Le problème technique à la base de l'invention consiste donc à fournir un perforateur hydraulique qui soit de structure simple et économique, tout en ayant des performances améliorées.
  • A cet effet, la présente invention concerne un perforateur hydraulique roto-percutant comprenant :
    • un corps,
    • un emmanchement destiné à être couplé à au moins une barre de forage équipée d'un outil,
    • un piston de frappe monté coulissant à l'intérieur du corps suivant un axe de frappe et configuré pour frapper l'emmanchement,
    • un piston de butée qui est monté coulissant dans une cavité du corps selon un axe de déplacement sensiblement parallèle à l'axe de frappe, le piston de butée comportant une face avant tournée vers l'emmanchement et configurée pour positionner l'emmanchement dans une position d'équilibre prédéterminée par rapport au piston de frappe, et une face arrière opposée à la face avant et située en regard d'une paroi arrière de la cavité, et
    • un conduit d'alimentation en fluide à haute pression et un conduit de retour de fluide à basse pression,
    • le corps et le piston de butée délimitant au moins en partie une première chambre de commande reliée de façon permanente au conduit d'alimentation en fluide à haute pression et configurée pour solliciter le piston de butée vers l'avant, le piston de butée comprenant en outre un canal de liaison configuré pour relier fluidiquement la première chambre de commande au conduit de retour de fluide à basse pression lorsque la face arrière du piston de butée est située à une distance de la paroi arrière de la cavité qui est supérieure à une valeur prédéterminée,
    • le corps et le piston de butée délimitant en outre au moins en partie une deuxième chambre de commande configurée pour solliciter le piston de butée vers l'avant,
    • caractérisé en ce que le perforateur hydraulique roto-percutant comprend un canal de communication fluidique qui débouche dans la deuxième chambre de commande et qui est configuré pour alimenter la deuxième chambre de commande en fluide à haute pression, le canal de communication fluidique étant pourvu d'un orifice calibré.
  • La configuration particulière de la première chambre de commande et du canal de liaison permet de positionner le piston de butée hydrauliquement dans une position d'équilibre approximativement stable correspondant à une course de frappe optimale du piston de frappe.
  • En outre, la configuration spécifique de la deuxième chambre de commande permet, du fait de la liaison permanente de cette dernière avec un canal de communication fluidique pourvu d'un orifice calibré, de limiter en amplitude le mouvement de recul du piston de butée car la pression dans la deuxième chambre de commande augmente plus rapidement grâce à l'orifice calibré et limite ainsi la course de recul du piston de butée. Également, lorsque le piston de butée avance, la pression dans la deuxième chambre de commande diminue, toujours grâce à l'orifice calibré, ce qui limite la force d'avance appliquée sur le piston de butée, et donc le déplacement vers l'avant du piston de butée.
  • Ainsi, la configuration spécifique de la deuxième chambre de commande permet de mieux recentrer le piston de butée autour de sa position d'équilibre, et de ce fait d'éviter que le piston de butée avance jusqu'à une butée mécanique avant prévue sur le corps, ou bien que le piston de butée ne recule trop et vienne en contact avec la paroi arrière de la cavité recevant le piston de butée. En limitant les phase de contact entre le piston de butée et sa butée mécanique avant, le perforateur hydraulique roto-percutant selon la présente invention assure d'une part un meilleur appui, direct ou indirect, du piston de butée sur l'emmanchement et donc un maintien optimisé du taillant contre la roche lors des phases de frappe du piston de frappe, ce qui limite considérablement les risques de frappes à vide de l'emmanchement et en conséquence les risques d'endommagement de l'emmanchement, des barres de forage et du taillant, et d'autre part un positionnement optimisé de l'emmanchement par rapport au piston de frappe, ce qui confère au perforateur hydraulique roto-percutant selon la présente inventions des performances améliorées. De plus, en limitant la course de recul du piston de butée, le perforateur hydraulique roto-percutant selon la présente invention permet d'une part d'éviter de réduire la course de frappe du piston de frappe (et par conséquent d'éviter de limiter l'énergie par coup du perforateur hydraulique roto-percutant), et donc d'accroître encore les performances du perforateur hydraulique roto-percutant, et d'autre part d'éviter au piston de butée de reculer jusqu'à toucher la paroi arrière de la cavité, ce qui serait susceptible d'endommager le corps et le piston de butée.
  • Par conséquent, la configuration particulière du perforateur hydraulique roto-percutant selon la présente invention lui confère des performances et une fiabilité améliorées par rapport aux perforateurs hydrauliques roto-percutants de l'art antérieur.
  • Le perforateur hydraulique peut en outre présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, la deuxième chambre de commande est configurée pour être alimentée en fluide à haute pression uniquement par le canal de communication fluidique.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, le canal de communication fluidique comporte une première portion d'extrémité débouchant dans la deuxième chambre de commande et une deuxième portion d'extrémité débouchant dans une chambre interne qui est délimitée en partie par le corps et qui est configurée pour être alimentée en permanence en fluide à haute pression.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, le perforateur hydraulique roto-percutant comprend un circuit d'alimentation hydraulique principal configuré pour commander un coulissement alternatif du piston de frappe selon l'axe de frappe.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, le circuit d'alimentation hydraulique principal est en outre configuré pour commander un coulissement du piston de butée selon l'axe de déplacement, le circuit d'alimentation hydraulique principal comportant le conduit d'alimentation en fluide à haute pression et le conduit de retour de fluide à basse pression.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, le corps et le piston de frappe délimitent au moins en partie une chambre de commande primaire reliée de façon permanente au conduit d'alimentation en fluide à haute pression et une chambre de commande secondaire qui est antagoniste à la chambre de commande primaire, le perforateur hydraulique roto-percutant comportant en outre un distributeur de commande configuré pour relier fluidiquement la chambre de commande secondaire alternativement au conduit d'alimentation en fluide à haute pression et au conduit de retour de fluide à basse pression de manière à commander des courses de frappe et de retour du piston de frappe.
  • Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le circuit d'alimentation hydraulique principal comporte un conduit d'alimentation en fluide à haute pression principal et un conduit de retour de fluide à basse pression principal, et le corps et le piston de frappe délimitent au moins en partie une chambre de commande primaire reliée de façon permanente au conduit d'alimentation en fluide à haute pression principal et une chambre de commande secondaire qui est antagoniste à la chambre de commande primaire, le perforateur hydraulique roto-percutant comportant en outre un distributeur de commande configuré pour relier fluidiquement la chambre de commande secondaire alternativement au conduit d'alimentation en fluide à haute pression principal et au conduit de retour de fluide à basse pression principal de manière à commander des courses de frappe et de retour du piston de frappe.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, le perforateur hydraulique roto-percutant comprend un circuit d'alimentation hydraulique secondaire configuré pour commander un coulissement du piston de butée selon l'axe de déplacement, le circuit d'alimentation hydraulique secondaire comportant le conduit d'alimentation en fluide à haute pression et le conduit de retour de fluide à basse pression.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, la deuxième chambre de commande est reliée en permanence à la chambre de commande primaire via le canal de communication fluidique.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, la deuxième chambre de commande est reliée en permanence à la première chambre de commande via le canal de communication fluidique.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, le piston de butée comporte une première surface de commande annulaire s'étendant transversalement à l'axe de déplacement et délimitant au moins en partie la première chambre de commande et une deuxième surface de commande annulaire s'étendant transversalement à l'axe de déplacement et délimitant au moins en partie la deuxième chambre de commande.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, chacune des première et deuxième surfaces de commande annulaires est orientée à l'opposé de l'emmanchement, c'est-à-dire vers la paroi arrière de la cavité recevant le piston de butée.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, la deuxième surface de commande annulaire présente une surface supérieure à la surface de la première surface de commande annulaire.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, chacune des première et deuxième surfaces de commande annulaires s'étend sensiblement perpendiculairement à l'axe de déplacement.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, la première surface de commande annulaire est plus proche de la face avant du piston de butée que la deuxième surface de commande annulaire.
  • Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la première surface de commande annulaire est plus éloignée de la face avant du piston de butée que la deuxième surface de commande annulaire.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, le corps et le piston de butée délimitent au moins en partie en outre une troisième chambre de commande reliée de façon permanente au conduit de retour de fluide à basse pression, la troisième chambre de commande étant antagoniste aux première et deuxième chambres de commande.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, la troisième chambre de commande est configurée pour solliciter le piston de butée vers l'arrière, c'est-à-dire vers la paroi arrière de la cavité et donc à l'opposé de l'emmanchement.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, la troisième chambre de commande est reliée au conduit de retour de fluide à basse pression par un canal de communication fluidique additionnel. Le canal de communication fluidique additionnel peut par exemple être pourvu d'un orifice calibré additionnel.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, le canal de liaison comporte une première portion d'extrémité débouchant dans la première chambre de commande et une deuxième portion d'extrémité opposée à la première portion d'extrémité et débouchant dans une surface extérieure du piston de butée, la deuxième portion d'extrémité du canal de liaison étant apte à être reliée fluidiquement au conduit de retour de fluide à basse pression lorsque la face arrière du piston de butée est située à une distance de la paroi arrière de la cavité qui est supérieure à la valeur prédéterminée.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, le corps comporte une gorge annulaire débouchant dans la cavité et reliée en permanence au conduit de retour de fluide à basse pression, la deuxième portion d'extrémité du canal de liaison étant apte à être reliée fluidiquement à la gorge annulaire lorsque la face arrière du piston de butée est située à une distance de la paroi arrière de la cavité qui est supérieure à la valeur prédéterminée.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, le canal de liaison comporte une première portion d'extrémité débouchant dans la troisième chambre de commande et une deuxième portion d'extrémité opposée à la première portion d'extrémité et débouchant dans une surface extérieure du piston de butée, la deuxième portion d'extrémité du canal de liaison étant apte à être reliée fluidiquement à la première chambre de commande lorsque la face arrière du piston de butée est située à une distance de la paroi arrière de la cavité qui est supérieure à la valeur prédéterminée.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, le perforateur hydraulique roto-percutant comporte un canal d'alimentation reliant la première chambre de commande au conduit d'alimentation en fluide à haute pression, le canal d'alimentation étant pourvu d'un orifice d'alimentation calibré.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, le canal d'alimentation comporte un gicleur comprenant l'orifice d'alimentation calibré.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, l'orifice calibré présente une section de passage plus petite que celle de l'orifice d'alimentation calibré.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, le piston de butée est monté coulissant autour du piston de frappe.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, le circuit d'alimentation hydraulique principal comporte un accumulateur haute pression relié au conduit d'alimentation en fluide à haute pression.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention le circuit d'alimentation hydraulique principal comporte en outre un accumulateur basse pression relié au conduit de retour de fluide à basse pression.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, la troisième chambre de commande est reliée de façon permanente à l'accumulateur basse pression.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, la gorge annulaire est reliée à l'accumulateur basse pression.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, le perforateur hydraulique roto-percutant comporte en outre une bague de butée disposée axialement entre l'emmanchement et la face avant du piston de butée.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, le piston de butée comporte une surface d'appui annulaire configurée pour venir en butée contre une surface de butée annulaire du corps.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, la surface d'appui annulaire est inclinée par rapport à l'axe de déplacement.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, le piston de butée comporte une collerette annulaire comportant la surface d'appui annulaire.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, la collerette annulaire délimite au moins en partie la troisième chambre de commande.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, la collerette annulaire comporte la première surface de commande annulaire.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, la surface d'appui annulaire est configurée pour venir en butée contre la surface de butée annulaire du corps lorsque la face arrière du piston de butée est située à une distance prédéterminée de la paroi arrière de la cavité, la distance prédéterminée étant supérieure à la valeur prédéterminée.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, le canal de communication fluidique et l'orifice calibré sont formés par une rainure axiale ou un méplat axial qui est prévu(e) sur le piston de butée ou sur le corps, et qui relie la première chambre de commande à la deuxième chambre de commande.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, le canal de communication fluidique comporte un gicleur comprenant l'orifice calibré.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, le gicleur est pourvu de deux orifices de passage dont l'un forme l'orifice calibré. De façon avantageuse, les deux orifices de passage peuvent être décalés angulairement l'un de l'autre d'environ 90° par rapport à un axe central du gicleur.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, la première chambre de commande est délimitée entièrement par le corps et le piston de butée.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, la première chambre de commande est délimitée en partie par le corps et le piston de butée.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, la deuxième chambre de commande est délimitée entièrement par le corps et le piston de butée.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, la deuxième chambre de commande est délimitée en partie par le corps et le piston de butée.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, le corps et le piston de frappe délimitent en partie ou entièrement la chambre de commande primaire.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, le corps et le piston de frappe délimitent en partie ou entièrement la chambre de commande secondaire.
  • De toute façon l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit en référence aux dessins schématiques annexés représentant, à titre d'exemples non limitatifs, plusieurs formes d'exécution de ce perforateur hydraulique.
  • La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un perforateur hydraulique roto-percutant selon un premier mode de réalisation de l'invention.
  • La figure 2 est une vue en coupe longitudinale, à l'échelle agrandie, d'un détail de la figure 1.
  • La figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un perforateur hydraulique roto-percutant selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
  • Les figures 1 et 2 représentent un premier mode de réalisation d'un perforateur hydraulique roto-percutant 2 qui est destiné à la perforation de trous de mine, et qui est pourvu notamment d'un système de frappe.
  • Le perforateur hydraulique roto-percutant 2 comporte plus particulièrement un corps 3 comportant un cylindre de piston 4. Selon le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, le corps 3 comporte un corps principal 3.1 délimitant en partie le cylindre de piston 4, ainsi qu'une chemise avant 3.2 et une chemise arrière 3.3 montées en force dans un alésage 3.4 délimité par le corps principal 3.1.
  • Le perforateur hydraulique roto-percutant 2 comporte également un système de frappe comportant un piston de frappe 5 monté coulissant de façon alternative dans le cylindre de piston 4 suivant un axe de frappe A. Comme montré plus particulièrement sur la figure 2, le piston de frappe 5 et le cylindre de piston 4 délimitent une chambre de commande primaire 6 qui est annulaire, et une chambre de commande secondaire 7 qui a une section plus importante que celle de la chambre de commande primaire 6 et qui est antagoniste à la chambre de commande primaire 6.
  • Le système de frappe du perforateur hydraulique roto-percutant 2 comprend en outre un distributeur de commande 8 agencé pour commander un mouvement alternatif du piston de frappe 5 à l'intérieur du cylindre de piston 4 alternativement suivant une course de frappe et une course de retour. Le distributeur de commande 8 est configuré pour mettre la chambre de commande secondaire 7, alternativement en relation avec un conduit d'alimentation en fluide à haute pression 9, tel qu'un conduit d'alimentation en fluide incompressible (par exemple en huile) à haute pression, lors de la course de frappe du piston de frappe 5, et avec un conduit de retour de fluide à basse pression 11, tel qu'un conduit de retour de fluide incompressible (par exemple en huile) à basse pression, lors de la course de retour du piston de frappe 5. Le conduit d'alimentation en fluide à haute pression 9 et le conduit de retour de fluide à basse pression 11 appartiennent à un circuit d'alimentation hydraulique principal dont est pourvu le système de frappe. Le circuit d'alimentation hydraulique principal peut avantageusement comporter un accumulateur haute pression 12 relié au conduit d'alimentation en fluide à haute pression 9, et un accumulateur basse pression 10 relié au conduit de retour de fluide à basse pression 11.
  • Le distributeur de commande 8 est plus particulièrement monté mobile dans un alésage ménagé dans le corps 3 entre une première position (voir la figure 2) dans laquelle le distributeur de commande 8 est configuré pour mettre la chambre de commande secondaire 7 en relation avec le conduit d'alimentation en fluide à haute pression 9 et une deuxième position dans laquelle le distributeur de commande 8 est configuré pour mettre la chambre de commande secondaire 7 en relation avec le conduit de retour de fluide à basse pression 11.
  • La chambre de commande primaire 6 est avantageusement alimentée en permanence en fluide à haute pression par un canal d'alimentation relié au conduit d'alimentation en fluide à haute pression 9, de manière à ce que chaque position du distributeur de commande 8 provoque la course de frappe du piston de frappe 5, puis la course de retour du piston de frappe 5.
  • Le système de frappe du perforateur hydraulique roto-percutant 2 comprend également un piston de butée 13 qui est tubulaire et qui est monté coulissant dans une cavité 14 du corps 3 selon un axe de déplacement sensiblement parallèle à l'axe de frappe A et de préférence confondu avec l'axe de frappe A. Selon le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, le piston de butée 13 est monté coulissant autour du piston de frappe 5, et la cavité 14 est ménagée dans le corps 3 coaxialement au cylindre de piston 4.
  • Le perforateur hydraulique roto-percutant 2 comporte en outre un emmanchement 15 destiné à être couplé, de manière connue, à au moins une barre de forage (non représentée sur les figures) équipée d'un outil, également nommé taillant. L'emmanchement 15 s'étend longitudinalement selon l'axe de frappe A, et comporte une première portion d'extrémité tournée vers le piston de frappe 5 et pourvue d'une face d'extrémité 17 contre laquelle est destiné à frapper le piston de frappe 5 au cours de chaque cycle de fonctionnement du perforateur hydraulique roto-percutant 2, et une deuxième portion d'extrémité (non représentée sur les figures), opposée à la première portion d'extrémité, destinée à être couplée à l'au moins une barre de forage.
  • Comme montré plus particulièrement sur la figure 2, le piston de butée 13 comportant une face avant 18 tournée vers l'emmanchement 15 et configurée pour positionner l'emmanchement 15 dans une position d'équilibre prédéterminée par rapport au piston de frappe 5, et une face arrière 19 opposée à la face avant 18 et située en regard d'une paroi arrière 21 de la cavité 14. La face avant 18 du piston de butée 13 est configurée pour appliquer une force de poussée directement sur l'emmanchement 15 ou indirectement sur l'emmanchement 15 par l'intermédiaire d'une bague de butée 20 interposée axialement entre l'emmanchement 15 et le piston de butée 13.
  • Le corps 3 et le piston de butée 13 délimitent, avec le piston de frappe 5, une première chambre de commande 22 reliée de façon permanente au conduit d'alimentation en fluide à haute pression 9 et configurée pour solliciter le piston de butée 13 vers l'avant, c'est-à-dire vers l'emmanchement 15 et donc à l'opposé de la paroi arrière 21 de la cavité 14. Le perforateur hydraulique roto-percutant 2 comporte avantageusement un canal d'alimentation 23 reliant la première chambre de commande 22 au conduit d'alimentation en fluide à haute pression 9. Selon le premier mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, le canal d'alimentation 23 est pourvu d'un orifice d'alimentation calibré 24, qui peut par exemple être prévu sur un gicleur incorporé au canal d'alimentation 23.
  • Le corps 3 et le piston de butée 13 délimitent également une deuxième chambre de commande 25 qui est, comme la première chambre de commande 22, configurée pour solliciter le piston de butée 13 vers l'avant.
  • Selon le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, la deuxième chambre de commande 25 est reliée à la première chambre de commande 22 par l'intermédiaire d'un canal de communication fluidique 26 pourvu d'un orifice calibré 27, qui peut par exemple être prévu sur un gicleur incorporé au canal de communication fluidique 26. De façon avantageuse, la deuxième chambre de commande 25 est configurée pour être alimentée en fluide à haute pression uniquement par le canal de communication fluidique 26.
  • Selon le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, le piston de butée 13 comporte une première surface de commande annulaire 28, également nommée première surface active annulaire, s'étendant perpendiculairement à l'axe de déplacement et délimitant en partie la première chambre de commande 22, et une deuxième surface de commande annulaire 29, également nommée deuxième surface active annulaire, s'étendant perpendiculairement à l'axe de déplacement et délimitant en partie la deuxième chambre de commande 25. La deuxième surface de commande annulaire 29 présente avantageusement une surface supérieure à la surface de la première surface de commande annulaire 28.
  • Le corps 3 et le piston de butée 13 délimitent également une troisième chambre de commande 31 reliée de façon permanente au conduit de retour de fluide à basse pression 11, par l'intermédiaire d'un canal de communication fluidique additionnel 32 débouchant dans la troisième chambre de commande 31. La troisième chambre de commande 31 est antagoniste aux première et deuxième chambres de commande 22, 25, et est ainsi configurée pour solliciter le piston de butée 13 vers l'arrière.
  • Le perforateur hydraulique roto-percutant 2 comprend de plus un canal de liaison 33 configuré pour relier fluidiquement la première chambre de commande 22 au conduit de retour de fluide à basse pression 11 lorsque la face arrière 19 du piston de butée 13 est située à une distance de la paroi arrière 21 de la cavité 14 qui est supérieure à une valeur prédéterminée. Selon le premier mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, le piston de butée 13 comporte le canal de liaison 33, et le canal de liaison 33 comporte une première portion d'extrémité 33.1 débouchant dans la première chambre de commande 22 et une deuxième portion d'extrémité 33.2 opposée à la première portion d'extrémité 33.1 et débouchant dans une surface extérieure du piston de butée 13. Avantageusement, la deuxième portion d'extrémité 33.2 du canal de liaison 33 est apte à être reliée fluidiquement à une gorge annulaire 34, qui débouche dans la cavité 14 et qui est reliée en permanence au conduit de retour de fluide à basse pression 11, lorsque la face arrière 19 du piston de butée 13 est située à une distance de la paroi arrière 21 de la cavité 14 qui est supérieure à la valeur prédéterminée.
  • Lorsque le système de frappe du perforateur hydraulique roto-percutant 2 est alimenté, la pression établie dans la première chambre de commande 22, grâce au débit d'huile qui s'est écoulé par l'orifice d'alimentation calibré 24, sollicite vers l'avant le piston de butée 13 jusqu'à une position telle que le canal de liaison 33 débouche dans la gorge annulaire 34 qui est reliée en permanence au conduit de retour de fluide à basse pression 11. A ce moment-là, le piston de butée 13, qui est soumis, par la roche, à une force réactive à la force de poussée exercée par le perforateur hydraulique roto-percutant 2, cesse d'avancer, et trouve une position d'équilibre sur l'arête du débouché du canal de liaison 33 dans la gorge annulaire 34. Par construction, cette position d'équilibre permet de situer l'emmanchement 15 à une distance du piston de frappe 5 qui correspond à une course de frappe C prévue pour le piston de frappe 5. Il est à noter que l'orifice d'alimentation calibré 24 est avantageusement de faible dimension par rapport au canal de liaison 33 et au canal de communication fluidique additionnel 32 de façon à ce que la pression qui s'établit dans la première chambre de commande 22 chute très rapidement lorsque le canal de liaison 33 s'ouvre dans la gorge annulaire 34.
  • Dès que le piston de butée 13 a atteint sa position d'équilibre, l'orifice calibré 27, de plus petite section que l'orifice d'alimentation calibré 24, va progressivement remplir en fluide haute pression la deuxième chambre de commande 25 dont la pression avait chutée en raison de l'augmentation du volume de la deuxième chambre de commande 25 (résultant du mouvement d'avance du piston de butée 13) et de la présence de l'orifice calibré 27 qui empêche un remplissage rapide de la deuxième chambre de commande 25.
  • A partir de cet état, si la réaction de la roche fait reculer le piston de butée 13, la pression dans la première chambre de commande 22 va augmenter à un premier niveau de pression supérieur à la pression d'alimentation grâce à la présence de l'orifice d'alimentation calibré 24, et la pression dans la deuxième chambre de commande 25 va augmenter à un niveau de pression bien supérieur à celui la première chambre de commande 22 grâce à la présence de l'orifice calibré 27 dont la section est inférieure à celle de l'orifice d'alimentation calibré 24. La deuxième surface de commande annulaire 29 étant plus importante que la première surface de commande annulaire 28, et le niveau de pression exercé sur la deuxième surface de commande annulaire 29 étant bien supérieur à celui exercé sur la première surface de commande annulaire 28, lui-même supérieur à ce qu'il aurait été sans la présence de l'orifice d'alimentation calibré 24, la force d'avance exercée sur le piston de butée 13 devient très importante, de telle sorte que la distance de recul du piston de butée 13 sera faible.
  • Lorsqu'à partir de cet état la réaction de la roche permet au piston de butée 13 d'avancer (notamment lorsque la roche cède sous l'impact du piston de frappe 5), les deux surpressions s'exerçant respectivement sur les première et deuxième surfaces de commande annulaires 28, 29 n'ayant pas eu le temps de s'évacuer via l'orifice d'alimentation calibré 24 et l'orifice calibré 27, le piston de butée 13 subit une accélération instantanée très importante qui lui permet de retrouver très rapidement son appui sur l'emmanchement 15 via la bague de butée 20, idéalement proche de sa position d'équilibre. Une fois cette position d'équilibre atteinte, les pressions dans les première et deuxième chambres de commande 22, 25 sont très diminuées du fait de l'expansion rapide des première et deuxième chambres de commande 22, 25, par conséquent le piston de butée 13 ne subira qu'une faible force hydraulique vers l'avant, ceci afin de le conserver proche de sa position d'équilibre hydraulique. Dès que le piston de butée 13 est en appui sur l'emmanchement 15 via la butée de butée 20, les pressions dans les première et deuxième chambres de commande 22, 25 augmentent rapidement car leur volume reste sensiblement constant et qu'elles sont gavées en fluide haute pression par l'orifice d'alimentation calibré 24 spécifiquement calibré afin d'optimiser l'efficacité de ce gavage, la résistance hydraulique face à un recul brutal du piston de butée 13 et la modulation de la pression dans la première chambre de commande 22.
  • La fréquence de frappe d'un perforateur hydraulique dépassant généralement les 50 Hz, les temps de cycle du piston de frappe 5 sont très courts, ce qui permet, avec l'architecture précitée du système d'alimentation du piston de butée 13, de pouvoir jouer avec la compressibilité du fluide hydraulique bien plus qu'avec les débits d'alimentation. Il en résulte une excellente réactivité du piston de butée 13 tout en ne consommant qu'un faible volume d'huile grâce à l'orifice d'alimentation calibré 24 et à la faible course du piston de butée 13 permise par la deuxième chambre de commande 25. Effectivement, l'huile contenue dans la première chambre de commande 22 ne partira que très peu dans le conduit de retour de fluide à basse pression 11 via l'ouverture du canal de liaison 33, car le piston de butée 13 ne sera pas poussé trop loin en avant par rapport à la position d'équilibre hydraulique grâce aux mécanismes précédemment explicités.
  • Le perforateur hydraulique roto-percutant 2 comprend également un système d'entraînement en rotation qui est configuré pour entraîner en rotation l'emmanchement 15 autour d'un axe de rotation qui est sensiblement confondu avec l'axe de frappe A. Le système d'entraînement en rotation comporte un organe d'accouplement 35, tel qu'un pignon d'accouplement, qui est tubulaire et qui est disposé autour de l'emmanchement 15. L'organe d'accouplement 35 comprend des cannelures d'accouplement mâle et des cannelures d'accouplement femelle qui sont couplées en rotation respectivement avec des cannelures d'accouplement femelle et mâle prévues sur l'emmanchement 15.
  • De façon avantageuse, l'organe d'accouplement 35 comporte une denture périphérique externe couplée en rotation avec un arbre de sortie d'un moteur d'entraînement 36, tel qu'un moteur hydraulique alimenté hydrauliquement par un circuit externe d'alimentation hydraulique, appartenant au système d'entraînement en rotation. Le système d'entraînement en rotation peut par exemple comporter un pignon intermédiaire 37 qui est couplé d'un part à l'arbre de sortie du moteur d'entraînement 36 et d'autre part à la denture périphérique externe de l'organe d'accouplement 35.
  • Lorsque le perforateur hydraulique roto-percutant 2 est en fonctionnement, l'emmanchement 15 est mis en rotation grâce au moteur d'entraînement 36, et l'emmanchement 15 reçoit sur sa face d'extrémité 17 les chocs cycliques du piston de frappe 5, assurés par le système de frappe alimenté par le circuit d'alimentation hydraulique principal. Dans le même temps, l'engin porteur sur lequel est monté le perforateur hydraulique roto-percutant 2 applique une force de poussée sur la barre de forage, via le corps 3 et l'emmanchement 15. A l'intérieur du perforateur hydraulique roto-percutant 2, entre le corps 3 et l'emmanchement 15, cette force de poussée est transmise par l'intermédiaire du piston de butée 13 et de la bague de butée 20. Le positionnement du piston de butée 13 est ainsi purement hydraulique et est agencé de façon à ce que la course de frappe C du piston de frappe 5 soit respectée.
  • Le piston de butée 13 comporte en outre une surface d'appui annulaire 39 configurée pour venir en butée contre une surface de butée annulaire 41 prévue sur le corps 3, de manière à limiter la course de déplacement du piston de butée 13 vers l'avant, c'est-à-dire vers l'emmanchement 15. Avantageusement, la surface d'appui annulaire 39 est configurée pour venir en butée contre la surface de butée annulaire 41 du corps 3 lorsque la face arrière 19 du piston de butée 13 est située à une distance prédéterminée de la paroi arrière 21 de la cavité 14, la distance prédéterminée étant supérieure à la valeur prédéterminée. Selon le premier mode de réalisation de l'invention, la surface d'appui annulaire 39 est inclinée par rapport à l'axe de déplacement, et délimite en partie la troisième chambre de commande 31.
  • La figure 3 représente un deuxième mode de réalisation du perforateur hydraulique roto-percutant 2 qui diffère du premier mode de réalisation essentiellement en ce que le canal de communication fluidique additionnel 32 est pourvu d'un orifice calibré additionnel 42, qui peut par exemple être prévu sur un gicleur incorporé au canal de communication fluidique additionnel 32, et en ce que la première portion d'extrémité 33.1 du canal de liaison 33 débouche dans la troisième chambre de commande 31 et la deuxième portion d'extrémité 33.2 du canal de liaison 33 débouche dans une surface extérieure du piston de butée 13, la deuxième portion d'extrémité 33.2 du canal de liaison 33 étant apte à être reliée fluidiquement à la première chambre de commande 22 lorsque la face arrière 19 du piston de butée 13 est située à une distance de la paroi arrière 21 de la cavité 14 qui est supérieure à la valeur prédéterminée.
  • Lorsque le perforateur hydraulique roto-percutant 2 selon le deuxième mode de réalisation de l'invention est en fonctionnement, la première chambre de commande 22 est soumise à la haute pression, le piston de butée 13 se déplace vers l'avant jusqu'à ce que la deuxième portion d'extrémité 33.2 du canal de liaison 33 s'ouvre dans la première chambre de commande 22. L'huile sous haute pression s'écoule alors dans la troisième chambre de commande 31 dont la liaison avec le canal de retour 27 est étranglée par l'orifice calibré additionnel 42. Les première et troisième chambres de commande 22, 31 prennent alors des pressions assez proches, ce qui réduit ou annule la poussée vers l'avant du piston de butée 13. En conséquence, le piston de butée 13 va trouver une position de fonctionnement stable autour de cette position de la deuxième portion d'extrémité 33.2 du canal de liaison 33.
  • Comme dans le premier mode de réalisation de l'invention, la deuxième chambre de commande 25 est reliée à la première chambre de commande 22 via un canal de communication fluidique 26 pourvu d'un orifice calibré 27, remplissant la même fonction que dans le premier mode de réalisation. Selon un tel mode de réalisation de l'invention, le canal de communication fluidique 26 est cependant prévu sur le corps 3, et par exemple sur la chemise arrière 3.3.
  • Selon le deuxième mode de réalisation de l'invention, le piston de butée 13 comporte une collerette annulaire 43, également appelée épaulement annulaire, qui comporte la surface d'appui annulaire 39 et la première surface de commande annulaire 28. Ainsi, la collerette annulaire 43 délimite avantageusement en partie la première chambre de commande 22 et en partie la troisième chambre de commande 31.
  • Selon le deuxième mode de réalisation de l'invention, le canal d'alimentation 23 peut être dépourvu d'orifice calibré, ou de tout autre élément d'étranglement spécifique.
  • Selon le deuxième mode de réalisation de l'invention, la première chambre de commande 22 est délimitée uniquement par le corps 3 et le piston de butée 13, et la deuxième chambre de commande 25 est délimitée par le corps 3, le piston de butée 13 et le piston de frappe 5.
  • Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le canal de communication fluidique 26 pourrait être configuré pour relier la deuxième chambre de commande 25 à la chambre de commande primaire 6, toujours en étant pourvu d'un orifice calibré 27.
  • Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le canal de communication fluidique 26 et l'orifice calibré 27 pourraient être formés par un méplat axial calibré ou une rainure axiale calibrée reliant soit la première chambre de commande 22 à la deuxième chambre de commande 25 ou soit la chambre de commande primaire 6 à la deuxième chambre de commande 25. Le méplat axial calibré ou la rainure axiale calibrée peuvent par exemple être prévu(e) sur le corps 3 ou le piston de butée 13.
  • L'invention est définie et limitée seulement par les revendications suivantes.

Claims (15)

  1. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) comprenant :
    - un corps (3),
    - un emmanchement (15) destiné à être couplé à au moins une barre de forage équipée d'un outil,
    - un piston de frappe (5) monté coulissant à l'intérieur du corps (3) suivant un axe de frappe (A) et configuré pour frapper l'emmanchement (15),
    - un piston de butée (13) qui est monté coulissant dans une cavité (14) du corps (3) selon un axe de déplacement sensiblement parallèle à l'axe de frappe (A), le piston de butée (13) comportant une face avant (18) tournée vers l'emmanchement (15) et configurée pour positionner l'emmanchement (15) dans une position d'équilibre prédéterminée par rapport au piston de frappe (5), et une face arrière (19) opposée à la face avant (18) et située en regard d'une paroi arrière (21) de la cavité (14), et
    - un conduit d'alimentation en fluide à haute pression (9) et un conduit de retour de fluide à basse pression (11),
    le corps (3) et le piston de butée (13) délimitant au moins en partie une première chambre de commande (22) reliée de façon permanente au conduit d'alimentation en fluide à haute pression (9) et configurée pour solliciter le piston de butée (13) vers l'avant, le piston de butée (13) comprenant en outre un canal de liaison (33) configuré pour relier fluidiquement la première chambre de commande (22) au conduit de retour de fluide à basse pression (11) lorsque la face arrière (19) du piston de butée (13) est située à une distance de la paroi arrière (21) de la cavité (14) qui est supérieure à une valeur prédéterminée,
    le corps (3) et le piston de butée (13) délimitant en outre au moins en partie une deuxième chambre de commande (25) configurée pour solliciter le piston de butée (13) vers l'avant,
    caractérisé en ce que le perforateur hydraulique roto-percutant (2) comprend un canal de communication fluidique (26) qui débouche dans la deuxième chambre de commande (25) et qui est configuré pour alimenter la deuxième chambre de commande (25) en fluide à haute pression, le canal de communication fluidique (26) étant pourvu d'un orifice calibré (27).
  2. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon la revendication 1, lequel comprend un circuit d'alimentation hydraulique principal configuré pour commander un coulissement alternatif du piston de frappe (5) selon l'axe de frappe (A).
  3. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon la revendication 2, dans lequel le circuit d'alimentation hydraulique principal est en outre configuré pour commander un coulissement du piston de butée (13) selon l'axe de déplacement, le circuit d'alimentation hydraulique principal comportant le conduit d'alimentation en fluide à haute pression (9) et le conduit de retour de fluide à basse pression (11).
  4. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon la revendication 3, dans lequel le corps (3) et le piston de frappe (5) délimitent au moins en partie une chambre de commande primaire (6) reliée de façon permanente au conduit d'alimentation en fluide à haute pression (9) et une chambre de commande secondaire (7) qui est antagoniste à la chambre de commande primaire (6), le perforateur hydraulique roto-percutant (2) comportant en outre un distributeur de commande (8) configuré pour relier fluidiquement la chambre de commande secondaire (7) alternativement au conduit d'alimentation en fluide à haute pression (9) et au conduit de retour de fluide à basse pression (11) de manière à commander des courses de frappe et de retour du piston de frappe (5).
  5. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon la revendication 4, dans lequel la deuxième chambre de commande (25) est reliée en permanence à la chambre de commande primaire (6) via le canal de communication fluidique (26).
  6. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la deuxième chambre de commande (25) est reliée en permanence à la première chambre de commande (22) via le canal de communication fluidique (26).
  7. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le piston de butée (13) comporte une première surface de commande annulaire (28) s'étendant transversalement à l'axe de déplacement et délimitant au moins en partie la première chambre de commande (22) et une deuxième surface de commande annulaire (29) s'étendant transversalement à l'axe de déplacement et délimitant au moins en partie la deuxième chambre de commande (25).
  8. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le corps (3) et le piston de butée (13) délimitent au moins en partie en outre une troisième chambre de commande (31) reliée de façon permanente au conduit de retour de fluide à basse pression (11), la troisième chambre de commande (31) étant antagoniste aux première et deuxième chambres de commande (22, 25).
  9. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le canal de liaison (33) comporte une première portion d'extrémité (33.1) débouchant dans la première chambre de commande (22) et une deuxième portion d'extrémité (33.2) opposée à la première portion d'extrémité (33.2) et débouchant dans une surface extérieure du piston de butée (13), la deuxième portion d'extrémité (33.2) du canal de liaison (33) étant apte à être reliée fluidiquement au conduit de retour de fluide à basse pression (11) lorsque la face arrière (19) du piston de butée (13) est située à une distance de la paroi arrière (21) de la cavité (14) qui est supérieure à la valeur prédéterminée.
  10. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le canal de liaison (33) comporte une première portion d'extrémité (33.1) débouchant dans la troisième chambre de commande (31) et une deuxième portion d'extrémité (33.2) opposée à la première portion d'extrémité (33.1) et débouchant dans une surface extérieure du piston de butée (13), la deuxième portion d'extrémité (33.2) du canal de liaison (33) étant apte à être reliée fluidiquement à la première chambre de commande (22) lorsque la face arrière (19) du piston de butée (13) est située à une distance de la paroi arrière (21) de la cavité (14) qui est supérieure à la valeur prédéterminée.
  11. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, lequel comporte un canal d'alimentation (23) reliant la première chambre de commande (22) au conduit d'alimentation en fluide à haute pression (9), le canal d'alimentation (23) étant pourvu d'un orifice d'alimentation calibré (24).
  12. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel le piston de butée (13) est monté coulissant autour du piston de frappe (5).
  13. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, lequel comporte en outre une bague de butée (20) disposée axialement entre l'emmanchement (15) et la face avant (18) du piston de butée (13).
  14. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel le canal de communication fluidique (26) et l'orifice calibré (27) sont formés par une rainure axiale ou un méplat axial qui est prévu(e) sur le piston de butée (13) ou sur le corps (3), et qui relie la première chambre de commande (22) à la deuxième chambre de commande (25).
  15. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel le canal de communication fluidique (26) comporte un gicleur comprenant l'orifice calibré (27).
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