FR3120248A1 - Perforateur hydraulique roto-percutant pourvu d’un piston de butée et d’une chambre de freinage - Google Patents

Perforateur hydraulique roto-percutant pourvu d’un piston de butée et d’une chambre de freinage Download PDF

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Abstract

Le perforateur hydraulique roto-percutant (2) comprend un corps (3) ; un emmanchement (21) ; un piston de frappe (5) configuré pour frapper l’emmanchement (21) et pourvu d’une une surface de freinage ; une chambre de freinage (15) configurée pour freiner hydrauliquement le piston de frappe (5) ; un piston de butée (17) configuré pour appliquer une force de poussée sur l’emmanchement (21) et pourvu d’une surface d’appui configurée pour venir en butée contre une surface de butée prévue sur le corps (3), de manière à limiter la course de déplacement du piston de butée (17) vers l’emmanchement (21). Le perforateur hydraulique roto-percutant (2) est configuré de telle sorte que la surface d’appui et la surface de butée sont espacées axialement d’une distance d’espacement prédéterminée lorsque simultanément (i) l’emmanchement (21) est en appui sur le piston de butée (17) et est en contact avec le piston de frappe (5), et (ii) la surface de freinage est située au niveau d’une arête d’entrée de la chambre de freinage (15). Figure 1

Description

Perforateur hydraulique roto-percutant pourvu d’un piston de butée et d’une chambre de freinage
La présente invention se rapporte à un perforateur hydraulique roto-percutant plus spécialement utilisé sur une installation de forage.
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 se trouve 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 d’alimentation hydraulique principal 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, que l’on appellera force d’appui résiduelle, ainsi que par la force exercée par l’élément 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 cette force d’appui résiduelle au moment du choc, garante de la bonne transmission de l’onde de choc du piston de frappe jusqu’à la roche.
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 décrite 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, lorsque le piston de butée se trouve dans une position d’équilibre, déterminée de manière hydraulique ou mécanique, il est susceptible, dans certaines conditions de fonctionnement du perforateur hydraulique roto-percutant, de ne pas maintenir le taillant en contact avec la roche. Dans ce cas précis, chaque coup du piston de frappe est transmis à l’emmanchement, aux barres de forage et au taillant sans le moindre appui de ce dernier sur la roche, ce qui génère des effets destructeurs sur ces pièces ainsi que sur la ligne de frappe du perforateur. Cette phase de frappe peut par exemple être nommée phase de « frappe mal appuyée » ou phase de « frappe à vide », résultant d’une force de poussée trop faible par rapport à une pression de frappe donnée.
Pour pallier ces désagréments, il est connu de limiter la pression de frappe actionnant le piston de frappe, et donc la vitesse d’impact du piston de frappe, lorsque le perforateur travaille dans une phase de frappe mal appuyée. La détection, entre autres, d’une diminution de la force de poussée ou d’une augmentation du débit d’avance alimentant le vérin ou le moteur d’avance de la glissière permet de transmettre un signal de commande à des organes de commande externes au perforateur de telle sorte qu’ils limitent la pression de frappe du piston de frappe.
Cette fonction de limitation, visant à limiter la pression de frappe du piston de frappe, n’est pas toujours ajustée au mieux sur les perforateurs et elle est parfois déconnectée par les utilisateurs. Par ailleurs, dans un souci d’économie, cette fonction de limitation n’est parfois pas implémentée sur les perforateurs.
Pour limiter les risques de détérioration de la ligne de frappe d’un perforateur hydraulique roto-percutant en cas de frappe à vide, il est également connu d’équiper le corps de ce dernier d’une chambre de freinage annulaire qui est prévue par exemple dans le prolongement d’une chambre de commande (reliée en permanence à un conduit d’alimentation en fluide à haute pression et participant à la commande des courses de frappe et de retour du piston de frappe) et qui est configurée pour être isolée fluidiquement de la chambre de commande (par l’intermédiaire d’une surface de freinage prévue sur le piston de frappe) lorsque le piston de frappe dépasse une course maximale souhaitée afin de ralentir rapidement la vitesse d’impact du piston de frappe sur l’emmanchement, et donc de limiter l’énergie transmise à l’emmanchement, et également afin de limiter la vitesse d’impact du piston de frappe sur une surface de butée de piston prévue sur le corps du perforateur hydraulique roto-percutant et configurée pour limiter la course de frappe du piston de frappe.
Le corps du perforateur est également pourvu d’une surface de butée avant ayant pour fonction de limiter, axialement et vers l’avant du perforateur, la course de l’emmanchement. Suivant les choix technologiques adoptés, la position de l’emmanchement sur la surface de butée avant peut soit permettre une vitesse d’impact réduite du piston de frappe sur l’emmanchement, par exemple lorsqu’une force de retrait est exercée sur le perforateur par la glissière, ce qui a pour but de décoincer le taillant lorsque celui-ci est prisonnier de la roche, soit interdire tout contact entre l’emmanchement et le piston de frappe.
Selon un tel mode de réalisation du perforateur hydraulique roto-percutant, le piston de butée comprend une surface d’appui qui est apte pour venir en butée contre une surface de butée prévue sur le corps, de manière à limiter la course de déplacement du piston de butée vers l’emmanchement, et le perforateur hydraulique roto-percutant est configurée de telle sorte que la surface d’appui et la surface de butée sont au contact l’une de l’autre lorsque simultanément :
- l’emmanchement est en appui sur le piston de butée, via généralement une bague de butée, et est en contact avec le piston de frappe, et
- la surface de freinage du piston de frappe est située au niveau d’une arête d’entrée de la chambre de freinage.
Ainsi, lorsque la surface d’appui prévue sur le piston de butée et la surface de butée prévue sur le corps sont au contact l’une de l’autre, la position occupée par le piston de butée correspond habituellement à positionner axialement l’emmanchement par rapport au piston de frappe de telle sorte que, lorsque le piston de frappe entre en contact avec l’emmanchement, la surface de freinage du piston de frappe commence à pénétrer dans la chambre de freinage annulaire et, par conséquent, à entamer sa phase de freinage. Une telle position du piston de frappe (à l’instant précis où le piston de frappe isole fluidiquement la chambre de freinage) correspond à une vitesse d’impact maximale du piston de frappe.
Dans cette configuration du piston de butée, la position précise de l’emmanchement n’est toutefois pas déterminée puisqu’elle dépend notamment de la force de recul du perforateur et de la force de poussée appliquée par la glissière sur le perforateur (l’emmanchement étant situé entre une position d’appui dans laquelle il est en appui contre la surface de butée avant une position d’appui dans laquelle il est en appui contre le piston de butée). Ainsi, lorsque la surface d’appui prévue sur le piston de butée et la surface de butée prévue sur le corps sont au contact l’une de l’autre, la vitesse d’impact du piston de frappe sur l’emmanchement sera comprise, en fonction de la force d’appui résiduelle, entre la vitesse d’impact maximale déterminée et la vitesse d’impact minimale déterminée, mais ne peut être définie précisément.
De plus, la vitesse d’impact entre le piston de frappe et l’emmanchement peut être plus importante que la vitesse d’impact maximale si l’emmanchement, projeté par le coup précédent donné par le piston de frappe, rebondit sur la surface de butée avant et rencontre à nouveau le piston de frappe avant sa phase de freinage avec une vitesse de recul importante. Si cette vitesse d’impact du piston de frappe sur l’emmanchement est trop importante alors que le taillant n’est pas en contact avec la roche, des ruptures prématurées seront notamment déplorées par l’utilisateur du perforateur sur une éventuelle bague de butée interposée entre le piston de butée et l’emmanchement, la surface d’appui avant, le piston de butée, le piston de frappe, la surface de butée de piston, l’emmanchement, les barres de forage et/ou le taillant (principalement au niveau des filetages reliant les barres de forage entre elles).
La présente invention vise à remédier à ces inconvénients.
Le problème technique à la base de l’invention consiste donc à fournir un perforateur hydraulique roto-percutant qui soit de structure simple et économique, tout en ayant une fiabilité accrue et ce sans nécessiter la présence de composants externes additionnels associés ou non à des pièces et circuits hydrauliques additionnels.
A cet effet, la présente invention concerne un perforateur hydraulique roto-percutant comprenant :
- un corps,
- un emmanchement monté dans le corps et 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, le piston de frappe comportant une surface de freinage qui s’étend transversalement à l’axe de frappe,
- une chambre de freinage configurée pour freiner hydrauliquement le piston de frappe lorsque le piston de frappe dépasse une position de frappe prédéterminée, la chambre de freinage étant configurée pour être fermée partiellement par la surface de freinage du piston de frappe lorsque le piston de frappe dépasse la position de frappe prédéterminée,
- un piston de butée qui est tubulaire et qui est monté coulissant à l’intérieur du corps selon un axe de déplacement sensiblement parallèle à l’axe de frappe, le piston de butée étant configuré pour appliquer une force de poussée sur l’emmanchement, le piston de butée comprenant une surface d’appui configurée pour venir en butée contre une surface de butée prévue sur le corps, de manière à limiter la course de déplacement du piston de butée vers l’emmanchement,
caractérisé en ce que le perforateur hydraulique roto-percutant est configuré de telle sorte que la surface d’appui et la surface de butée sont espacées axialement l’une de l’autre d’une distance d’espacement prédéterminée lorsque simultanément :
- l’emmanchement est en appui sur le piston de butée et est en contact avec le piston de frappe, et
- la surface de freinage du piston de frappe est située au niveau d’une arête d’entrée de la chambre de freinage.
En d’autre termes, le perforateur hydraulique roto-percutant est configuré de telle sorte que la surface de freinage est située dans la chambre de freinage et est espacée axialement de l’arête d’entrée de la chambre de freinage d’une distance d’espacement prédéterminée lorsque simultanément :
- l’emmanchement est en appui sur le piston de butée et est en contact avec le piston de frappe, et
- la surface d’appui est en appui contre la surface de butée.
Dans la présente description, l’expression « en appui sur » signifie « en appui directement ou indirectement sur ». De ce fait, selon la présente invention, l’emmanchement peut être en appui directement sur le piston de butée ou être en appui indirectement sur le piston de butée, c’est-à-dire par l’intermédiaire d’une pièce intermédiaire, telle qu’une bague de butée, interposée entre l’emmanchement et le piston de butée.
La configuration spécifique du perforateur hydraulique roto-percutant selon la présente invention permet, lorsque la force de poussée exercée par la glissière sur le perforateur est trop faible par rapport à la pression de frappe voire nulle, au piston de butée de pouvoir positionner l’emmanchement dans une position axiale telle que le piston de frappe aura pénétré dans la chambre de freinage d’une distance correspondant à la distance d’espacement prédéterminée avant de pouvoir frapper l’emmanchement. Ainsi, le perforateur hydraulique roto-percutant selon la présente invention garantit que l’impact entre l’emmanchement et le piston de frappe est réalisé à une vitesse réduite (comprise entre la vitesse d’impact minimale et la vitesse d’impact maximale) lorsque la force d’appui résiduelle est faible, et donc sans générer de dommages aux éléments constitutifs de la ligne de frappe du perforateur, et en particulier à l’emmanchement, à la ou aux barres de forage et au taillant.
Par conséquent, le perforateur hydraulique roto-percutant selon la présente invention permet de définir une vitesse d’impact intermédiaire entre la vitesse d’impact maximale et la vitesse d’impact minimale à laquelle le piston de frappe viendra frapper l’emmanchement, et ainsi de limiter de manière certaine l’énergie transmise à l’emmanchement, aux barres de forage et au taillant lorsque ce dernier n’est pas en appui sur la roche à forer, et donc de protéger l’emmanchement, les barres de forage, le taillant et toute la ligne de frappe du perforateur. Cette fonction de protection est intégrée dans le perforateur, dans ses pièces existantes, sans l’ajout de blocs de commande externes ou de circuits hydrauliques additionnels, internes ou externes. Une telle fonction de protection permet de ne plus avoir à garantir la sécurité du perforateur par des fonctionnalités externes soumises à aléas.
De façon avantageuse, la vitesse d’impact intermédiaire pourra être calibrée en tenant compte de la vitesse d’impact maximale du piston de frappe, de la force de freinage de la chambre de freinage et de la configuration du piston de butée de telle sorte que les impacts du piston de frappe à la vitesse d’impact intermédiaire n’engendrent que des rebonds à faible vitesse de l’emmanchement après son impact sur la surface d’appui avant.
Le perforateur hydraulique roto-percutant peut en outre présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la distance d’espacement prédéterminée, mesurée sensiblement parallèlement à l’axe de frappe du piston de frappe, est supérieure ou égale à 2mm.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la surface de freinage s’étend dans un plan sensiblement perpendiculaire à l’axe de frappe.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la surface de freinage est annulaire.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le piston de frappe comporte un épaulement de freinage qui définit la surface de freinage.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le piston de frappe comporte une première partie de piston présentant un premier diamètre, et une deuxième partie de piston présentant un deuxième diamètre qui est supérieur au premier diamètre, la surface de freinage reliant les première et deuxième parties de piston.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la deuxième partie de piston est une collerette de piston annulaire.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le corps comporte une surface de guidage configurée pour guider axialement la première partie de piston lors des déplacements du piston de frappe selon l’axe de frappe.
Selon un mode de réalisation de l’invention, une paroi interne de la chambre de freinage et une surface externe de la deuxième partie de piston sont configurées pour définir un jeu radial fonctionnel lorsque la deuxième partie de piston est disposée dans la chambre de freinage.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le jeu radial fonctionnel est compris entre 10 et 120 µm.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le perforateur hydraulique roto-percutant comprend en outre un circuit d’alimentation hydraulique principal configuré pour commander un coulissement alternatif du piston de frappe selon l’axe de frappe, le circuit d’alimentation hydraulique principal comportant un conduit d’alimentation en fluide à haute pression et un 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 première chambre de commande reliée de façon permanente au conduit d’alimentation en fluide à haute pression et une deuxième chambre de commande qui est antagoniste à la première chambre de commande, le perforateur hydraulique roto-percutant comportant en outre un distributeur de commande configuré pour relier fluidiquement la deuxième chambre de commande 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 mode de réalisation de l’invention, la chambre de freinage s’étend dans le prolongement de la première chambre de commande et en direction de l’emmanchement.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la chambre de freinage est configurée pour être alimentée en fluide haute pression par la première chambre de commande lorsque la surface de freinage du piston de frappe est éloignée de la chambre de freinage.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la chambre de freinage est configurée pour être au moins partiellement isolée fluidiquement de la première chambre de commande lorsque la surface de freinage du piston de frappe est située dans la chambre de freinage.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la chambre de freinage comporte une surface de fond qui est située à l’opposé de l’arête d’entrée. De façon avantageuse, la surface de freinage est configurée pour venir en butée contre la surface de fond de la chambre de freinage de manière à limiter la course de frappe du piston de frappe.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le circuit d’alimentation hydraulique principal est également configuré pour commander un coulissement du piston de butée selon l’axe de déplacement.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le corps et le piston de butée délimitent une chambre de commande primaire qui est reliée en permanence au conduit d’alimentation en fluide à haute pression et qui est configurée pour solliciter le piston de butée vers l’emmanchement.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le corps et le piston de butée délimitent une chambre de commande secondaire qui est reliée en permanence au conduit de retour de fluide à basse pression ou à une ligne de drain dédiée, la chambre de commande secondaire étant antagoniste à la chambre de commande primaire.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la chambre de commande secondaire est configurée pour solliciter le piston de butée à l’opposé de l’emmanchement.
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, le circuit d’alimentation hydraulique principal comporte en outre un accumulateur haute pression relié au conduit d’alimentation en fluide à haute pression.
Selon un mode de réalisation de l’invention, au moins l’un ou chacun des accumulateurs basse pression et haute pression est un accumulateur à membrane, tel qu’un accumulateur hydropneumatique, un accumulateur à piston, un accumulateur à vessie ou tout autre type d’accumulateur.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention, le perforateur hydraulique roto-percutant comporte un circuit d’alimentation hydraulique secondaire configuré pour commander un coulissement du piston de butée selon l’axe de déplacement.
Selon encore un autre mode de réalisation de l’invention, le perforateur hydraulique roto-percutant comporte un dispositif de pilotage configuré pour ajuster la position du piston de butée en fonction de différents paramètres de fonctionnement du perforateur hydraulique roto-percutant.
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 piston de butée est configuré pour positionner l’emmanchement dans une position d’équilibre prédéterminée par rapport au piston de frappe.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la surface d’appui est inclinée par rapport à l’axe de déplacement.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la surface d’appui est inclinée par rapport à l’axe de déplacement selon un angle d’inclinaison compris entre 5 et 175°, et avantageusement entre 30 et 60°, et par exemple d’environ 45°.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la surface de butée est inclinée par rapport à l’axe de déplacement selon un angle d’inclinaison compris entre 5 et 175°, et avantageusement entre 30 et 60°, et par exemple d’environ 45°.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la surface d’appui est inclinée vers l’arrière du piston de butée.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention, la surface de butée et la surface d’appui s’étendent sensiblement perpendiculairement à l’axe de déplacement, et donc sensiblement perpendiculairement à l’axe de frappe.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la surface de butée est annulaire.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la surface d’appui est annulaire.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la surface d’appui et la surface de butée sont configurées pour être en contact l’une contre l’autre sur uniquement une portion de la surface d’appui et de la surface de butée.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le corps comporte un corps principal et une chemise interne qui est fixée dans le corps principal et qui s’étend autour du piston de butée, la chemise interne comportant la surface de butée.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la surface de butée est prévue sur le corps principal.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le perforateur hydraulique roto-percutant comporte en outre une bague de butée qui est disposée axialement entre l’emmanchement et le piston de butée et qui est configuré pour appliquer la force de poussée sur l’emmanchement.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la bague de butée et le piston de butée s’étendent coaxialement.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l’emmanchement s’étend longitudinalement selon l’axe de frappe
Selon un mode de réalisation de l'invention, le piston de butée comporte une collerette annulaire comportant la surface d’appui.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le perforateur hydraulique roto-percutant comporte une surface de butée avant qui est fixe par rapport au corps, la surface de butée avant étant annulaire et s’étendant autour de l’emmanchement, l’emmanchement étant configuré pour venir en butée contre la surface de butée avant de manière à limiter la course de déplacement de l’emmanchement vers l’avant. De façon avantageuse, l’emmanchement comporte une collerette d’appui annulaire qui est prévue sur une surface extérieure de l’emmanchement et qui comporte une surface d’appui avant configurée pour venir en butée contre la surface de butée avant.
La présente invention sera bien comprise à l’aide de la description qui suit en référence aux figures annexées, dans lesquelles des signes de références identiques correspondent à des éléments structurellement et/ou fonctionnellement identiques ou similaires.
est une vue en coupe longitudinale d’un perforateur hydraulique roto-percutant selon un premier mode de réalisation de l’invention, montrant un piston de frappe, un piston de butée et un emmanchement dans une première configuration de fonctionnement.
est une vue en coupe longitudinale du perforateur hydraulique roto-percutant de la , montrant le piston de frappe, le piston de butée et l’emmanchement respectivement dans une deuxième configuration de fonctionnement et une troisième configuration de fonctionnement.
est une vue en coupe longitudinale d’un perforateur hydraulique roto-percutant selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
est une vue à l’échelle agrandie d’un détail de la .
Les figures 1 à 2 représentent un perforateur hydraulique roto-percutant 2 qui est destiné à la perforation de trous de mine. Le perforateur hydraulique roto-percutant 2 comporte plus particulièrement un corps 3 qui est configuré pour être monté coulissant sur une glissière (non représentée sur les figures) prévue sur un engin porteur. Selon le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, le corps 3 comporte un corps principal 3.1, et également une chemise interne 3.2 et une chemise interne additionnelle 3.3 montées glissantes ou en force dans le corps principal 3.1.
Le perforateur hydraulique roto-percutant 2 comprend un système de frappe 4 comportant un piston de frappe 5 monté coulissant de façon alternative dans un cylindre de piston 6, qui est défini par le corps 3, suivant un axe de frappe A. Le piston de frappe 5 et le cylindre de piston 6 délimitent une première chambre de commande 7 qui est annulaire, et une deuxième chambre de commande 8 qui a une section transversale plus importante que celle de la première chambre de commande 7 et qui est antagoniste à la première chambre de commande 7.
Le système de frappe 4 comprend en outre un distributeur de commande 9 agencé pour commander un mouvement alternatif du piston de frappe 5 à l’intérieur du cylindre de piston 6 alternativement suivant une course de frappe et une course de retour. Le distributeur de commande 9 est configuré pour mettre la deuxième chambre de commande 8, alternativement en relation avec un conduit d’alimentation en fluide à haute pression 11, tel qu’un conduit d’alimentation en fluide incompressible 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 12, tel qu’un conduit de retour de fluide incompressible à basse pression, lors de la course de retour du piston de frappe 5. La première chambre de commande 7 est avantageusement alimentée en permanence en fluide à haute pression par un canal d’alimentation 13 relié au conduit d’alimentation en fluide à haute pression 11.
Le conduit d’alimentation en fluide à haute pression 11 et le conduit de retour de fluide à basse pression 12 appartiennent à un circuit d’alimentation hydraulique principal dont est pourvu le système de frappe 4. Le circuit d’alimentation hydraulique principal peut avantageusement comporter un accumulateur haute pression 14 relié au conduit d’alimentation en fluide à haute pression 11.
Le système de frappe 4 comporte également une chambre de freinage 15 configurée pour freiner hydrauliquement le piston de frappe 5 lorsque le piston de frappe 5 dépasse une position de frappe prédéterminée. De façon avantageuse, la chambre de freinage 15 est annulaire et s’étend dans le prolongement de la première chambre de commande 7 et vers l’avant du perforateur hydraulique roto-percutant 2. La chambre de freinage 15 comporte une arête d’entrée 15.1 qui est annulaire et une surface de fond 15.2 qui est également annulaire et qui est située à l’opposé de l’arête d’entrée 15.1.
La chambre de freinage 15 est plus particulièrement configurée pour :
- être partiellement fermée par une surface de freinage 16 prévue sur le piston de frappe 5, et donc pour être partiellement isolée fluidiquement de la première chambre de commande 7, lorsque le piston de frappe 5 dépasse la position de frappe prédéterminée, et
- être alimentée en fluide haute pression par la première chambre de commande 7 lorsque la surface de freinage 16 du piston de frappe 5 est éloignée de la chambre de freinage 15.
De façon avantageuse, la surface de freinage 16 est annulaire et s’étend transversalement à l’axe de frappe A et de préférence dans un plan sensiblement perpendiculaire à l’axe de frappe A. Toutefois, selon une variante de réalisation de l’invention, la surface de freinage 16 pourrait présenter un angle compris entre 30 et 90° par rapport à l’axe de frappe A. La surface de freinage 16 est configurée pour venir en butée contre la surface de fond 15.2 de la chambre de freinage 15 de manière à limiter la course de frappe du piston de frappe 5.
Selon le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, le piston de frappe 5 comporte une première partie de piston 5.1 présentant un premier diamètre, une deuxième partie de piston 5.2 présentant un deuxième diamètre qui est supérieur au premier diamètre, et un épaulement de freinage qui définit la surface de freinage 16 et qui relie les première et deuxième parties de piston 5.1, 5.2. De façon avantageuse, une paroi interne de la chambre de freinage 15 et une surface externe de la deuxième partie de piston 5.2 sont configurées pour définir un jeu radial fonctionnel lorsque la deuxième partie de piston 5.2 est disposée dans la chambre de freinage 15. Selon un mode de réalisation de l’invention, le jeu radial fonctionnel est compris entre 10 et 120 µm.
Le perforateur hydraulique roto-percutant 2 comprend également un piston de butée 17 qui est tubulaire et qui est monté coulissant à l’intérieur du corps 3 selon un axe de déplacement 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 17 est monté coulissant autour du piston de frappe 5, et s’étend coaxialement au piston de frappe 5.
Le piston de butée 17 comporte une surface d’appui 18 qui est annulaire et qui est configurée pour venir en butée contre une surface de butée 19, également annulaire, prévue sur le corps 3 et par exemple sur la chemise interne 3.2, de manière à limiter la course de déplacement du piston de butée 17 vers l’avant du perforateur hydraulique roto-percutant 2.
Selon le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, la surface d’appui 18 est inclinée par rapport à l’axe de déplacement selon un angle d’inclinaison compris entre 30 et 60°, et par exemple d’environ 45°, et la surface de butée 19 est également inclinée par rapport à l’axe de déplacement selon un angle d’inclinaison compris entre 30 et 60°, et par exemple d’environ 45°. De façon avantageuse, chacune des surface d’appui et de butée 18, 19 diverge en direction d’une extrémité arrière du piston de butée 17. Toutefois, selon un autre mode de réalisation de l’invention représenté sur la , la surface de butée 19 et la surface d’appui 18 pourraient chacune s’étendre sensiblement perpendiculairement à l’axe de déplacement.
Le perforateur hydraulique roto-percutant 2 comporte en outre un emmanchement 21 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 21 s’étend longitudinalement selon un axe d’extension qui est avantageusement confondu avec l’axe de frappe A, et comporte une première portion d’extrémité 22 tournée vers le piston de frappe 5 et pourvue d’une face d’extrémité 22.1 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 22, destinée à être couplée à l’au moins une barre de forage.
L’emmanchement 21 comporte également une surface d’appui avant 24 configurée pour venir en butée contre une surface de butée avant 25, qui est annulaire et qui s’étend autour de l’emmanchement 21, de manière à limiter la course de déplacement de l’emmanchement 21 vers l’avant. La surface d’appui avant 24 peut par exemple être annulaire, ou être discontinue si des cannelures d’accouplement femelle et mâle prévues sur l’emmanchement 21 s’étendent jusqu’à la surface d’appui avant 24. La surface de butée avant 25 peut être directement prévue sur le corps 3 et notamment le corps principal 3.1, ou peut être prévue sur une bague de butée annulaire qui est disposée dans le corps principal 3.1. De façon avantageuse, la surface d’appui avant 24 est inclinée par rapport à l’axe de frappe A et diverge en direction du piston de frappe 5.
Le piston de butée 17 comporte plus particulièrement une face avant 26 qui est tournée vers l’emmanchement 21 et qui est configurée pour appliquer une force de poussée directement sur l’emmanchement 21 ou indirectement sur l’emmanchement 21 par l’intermédiaire d’une bague de butée 27 interposée axialement entre l’emmanchement 21 et le piston de butée 17.
Le fonctionnement d’un piston de butée est bien connu de l’homme du métier et n’est donc pas décrit de manière détaillée dans la présente description. De plus, l’alimentation hydraulique d’un piston de butée peut être réalisée de diverses manières bien connues de l’homme du métier. Différents exemples d’alimentation hydraulique du piston de butée 17 sont cependant décrits ci-après.
Selon le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, le corps 3 et le piston de butée 17 délimitent, avec le piston de frappe 5, une chambre de commande primaire 28 qui peut par exemple être reliée de façon permanente au conduit d’alimentation en fluide à haute pression 11 et qui est configurée pour solliciter le piston de butée 17 vers l’avant, c’est-à-dire vers l’emmanchement 21.
Le corps 3 et le piston de butée 17 délimitent, avec le piston de frappe 5, également une chambre de commande secondaire 29 qui est antagoniste à la chambre de commande primaire 28 et qui peut par exemple être reliée au conduit de retour de fluide à basse pression 12 ou à une ligne de drain dédiée. Avantageusement, la surface d’appui 18 et la surface de butée 19 délimitent en partie la chambre de commande secondaire 29.
Selon le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, le corps 3 et le piston de butée 17 délimitent une chambre de commande additionnelle 31 qui est antagoniste à la chambre de commande secondaire 29 et qui est par exemple reliée à un accumulateur basse pression 32 relié au conduit de retour de fluide à basse pression 12 et appartenant au circuit d’alimentation hydraulique principal du système de frappe 4. Chacun des accumulateurs basse pression et haute pression précités peut être un accumulateur à membrane, tel qu’un accumulateur hydropneumatique, un accumulateur à piston, un accumulateur à vessie ou tout autre type d’accumulateur. Toutefois, selon le mode de réalisation représenté sur la , la chambre de commande additionnelle 31 pourrait être reliée à un drain externe 30. Selon une autre variante de réalisation de l’invention, la chambre de commande additionnelle 31 pourrait être reliée directement au conduit de retour de fluide à basse pression 12, c’est-à-dire sans présence d’un accumulateur basse pression.
Selon le mode de réalisation de l’invention représenté sur les figures 1 et 2, le circuit d’alimentation hydraulique principal est configuré pour commander également les coulissements du piston de butée 17 selon l’axe de déplacement. Cependant, selon une variante de réalisation de l’invention, le perforateur hydraulique roto-percutant 2 pourrait comporter un circuit d’alimentation hydraulique secondaire distinct du circuit d’alimentation hydraulique principal et configuré pour commander les coulissements du piston de butée 17 selon l’axe de déplacement.
Le perforateur hydraulique roto-percutant 2 comprend également un système d’entraînement en rotation 33 qui est configuré pour entraîner en rotation l’emmanchement 21 autour d’un axe de rotation qui est sensiblement confondu avec l’axe de frappe A. Le système d’entraînement en rotation 33 comporte un organe d’accouplement 34, tel qu’un pignon d’accouplement, qui est tubulaire et qui est disposé autour de l’emmanchement 21. L’organe d’accouplement 34 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 21.
De façon avantageuse, l’organe d’accouplement 34 comporte une denture périphérique externe couplée en rotation avec un arbre de sortie d’un moteur d’entraînement 35, tel qu’un moteur hydraulique alimenté hydrauliquement par un circuit externe d’alimentation hydraulique, appartenant au système d’entraînement en rotation 33. Le système d’entraînement en rotation 33 peut par exemple comporter un pignon intermédiaire 36 qui est couplé d’un part à l’arbre de sortie du moteur d’entraînement 35 et d’autre part à la denture périphérique externe de l’organe d’accouplement 34.
Lorsque le perforateur hydraulique roto-percutant 2 est en fonctionnement, l’emmanchement 21 est mis en rotation grâce au moteur d’entraînement 35, et l’emmanchement 21 reçoit sur sa face d’extrémité 17 les chocs cycliques du piston de frappe 5, assurés par le système de frappe 4 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 21. A l’intérieur du perforateur hydraulique roto-percutant 2, entre le corps 3 et l’emmanchement 21, cette force de poussée est transmise par l’intermédiaire du piston de butée 17 et de la bague de butée 27.
Le perforateur hydraulique roto-percutant 2 est plus particulièrement configuré de telle sorte que la surface d’appui 18 et la surface de butée 19 sont espacées axialement l’une de l’autre d’une distance d’espacement prédéterminée D lorsque simultanément :
- l’emmanchement 21 est en appui sur le piston de butée 17, via la bague de buté 27, et est en contact avec le piston de frappe 5, et
- la surface de freinage 16 du piston de frappe 5 est située au niveau de l’arête d’entrée 15.1 de la chambre de freinage 15, c’est-à-dire est située radialement en regard de l’arête d’entrée 15.1.
De façon avantageuse, la distance d’espacement prédéterminée D, mesurée sensiblement parallèlement à l’axe de frappe A du piston de frappe 5, est supérieure ou égale à 2 mm.
Une telle configuration du perforateur hydraulique roto-percutant 2 permet, lorsque la force de poussée exercée par la glissière sur le perforateur hydraulique roto-percutant 2 est trop faible par rapport à la pression de frappe (voire nulle), au piston de butée 17 de pouvoir positionner l’emmanchement 21 dans une position axiale (correspondant à une position du piston de butée dans laquelle la surface d’appui 18 est en appui contre la surface de butée 19) telle que le piston de frappe 5 aura pénétré dans la chambre de freinage 15 d’une distance correspondant à la distance d’espacement prédéterminée D avant de pouvoir frapper l’emmanchement 21. Ainsi, le perforateur hydraulique roto-percutant 2 selon la présente invention garantit que l’impact entre l’emmanchement 21 et le piston de frappe 5 est réalisé à une vitesse réduite lorsque la force de poussée exercée par la glissière sur le perforateur hydraulique roto-percutant 2 est trop faible ou nulle, et donc sans générer de dommages aux éléments constitutifs de la ligne de frappe du perforateur, et en particulier à l’emmanchement 21, à la ou aux barres de forage et au taillant.
Par conséquent, le perforateur hydraulique roto-percutant 2 selon la présente invention permet de définir une vitesse d’impact intermédiaire du piston de frappe comprise entre une vitesse d’impact maximale du piston de frappe 5 (qui correspond à une position du piston de frappe 5 dans laquelle la surface de freinage 16 est située au niveau de l’arête d’entrée 15) et une vitesse d’impact minimale du piston de frappe 5 (qui correspond à une position du piston de frappe 5 dans laquelle la surface de freinage 16 est située au contact de la surface de fond 15.2), et ainsi de limiter de manière certaine l’énergie transmise à l’emmanchement 21, aux barres de forage et au taillant lorsque ce dernier n’est pas en appui sur la roche à forer, et donc de protéger l’emmanchement 21, les barres de forage, le taillant et toute la ligne de frappe du perforateur hydraulique roto-percutant 2.
Une telle fonction de protection est intégrée dans le perforateur hydraulique roto-percutant 2, sans l’ajout de blocs de commande externes ou de circuits hydrauliques additionnels, internes ou externes, et est donc obtenue sans avoir à garantir la sécurité du perforateur par des fonctionnalités externes soumises à aléas.
Comme il va de soi, l’invention ne se limite pas aux seules formes d’exécution de ce perforateur hydraulique roto-percutant, décrites ci-dessus à titre d’exemples, elle en embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation.

Claims (12)

  1. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) comprenant :
    - un corps (3),
    - un emmanchement (21) monté dans le corps (3) et 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 (21), le piston de frappe (5) comportant une surface de freinage (16) qui s’étend transversalement à l’axe de frappe (A),
    - une chambre de freinage (15) configurée pour freiner hydrauliquement le piston de frappe (5) lorsque le piston de frappe (5) dépasse une position de frappe prédéterminée, la chambre de freinage (15) étant configurée pour être fermée partiellement par la surface de freinage (16) du piston de frappe (5) lorsque le piston de frappe (5) dépasse la position de frappe prédéterminée,
    - un piston de butée (17) qui est tubulaire et qui est monté coulissant à l’intérieur du corps (3) selon un axe de déplacement sensiblement parallèle à l’axe de frappe (A), le piston de butée (17) étant configuré pour appliquer une force de poussée sur l’emmanchement (21), le piston de butée (17) comprenant une surface d’appui (18) configurée pour venir en butée contre une surface de butée (19) prévue sur le corps (3), de manière à limiter la course de déplacement du piston de butée (17) vers l’emmanchement (21),
    caractérisé en ce que le perforateur hydraulique roto-percutant (2) est configuré de telle sorte que la surface d’appui (18) et la surface de butée (19) sont espacées axialement l’une de l’autre d’une distance d’espacement prédéterminée (D) lorsque simultanément :
    - l’emmanchement (21) est en appui sur le piston de butée (17) et est en contact avec le piston de frappe (5), et
    - la surface de freinage (16) du piston de frappe (5) est située au niveau d’une arête d’entrée (15.1) de la chambre de freinage (15).
  2. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon la revendication 1, dans lequel la distance d’espacement prédéterminée (D), mesurée sensiblement parallèlement à l’axe de frappe (A) du piston de frappe (5), est supérieure ou égale à 2 mm.
  3. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la surface de freinage (16) s’étend dans un plan sensiblement perpendiculaire à l’axe de frappe (A).
  4. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le piston de frappe (5) comporte une première partie de piston (5.1) présentant un premier diamètre, et une deuxième partie de piston (5.2) présentant un deuxième diamètre qui est supérieur au premier diamètre, la surface de freinage (16) reliant les première et deuxième parties de piston (5.1, 5.2).
  5. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon la revendication 4, dans lequel une paroi interne de la chambre de freinage (15) et une surface externe de la deuxième partie de piston (5.2) sont configurées pour définir un jeu radial fonctionnel lorsque la deuxième partie de piston (5.2) est disposée dans la chambre de freinage (15).
  6. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, lequel comprend en outre un circuit d’alimentation hydraulique principal configuré pour commander un coulissement alternatif du piston de frappe (5) selon l’axe de frappe (A), le circuit d’alimentation hydraulique principal comportant un conduit d’alimentation en fluide à haute pression (11) et un conduit de retour de fluide à basse pression (12).
  7. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon la revendication 6, dans lequel le corps (3) et le piston de frappe (5) délimitent au moins en partie une première chambre de commande (7) reliée de façon permanente au conduit d’alimentation en fluide à haute pression (11) et une deuxième chambre de commande (8) qui est antagoniste à la première chambre de commande (7), le perforateur hydraulique roto-percutant (2) comportant en outre un distributeur de commande (9) configuré pour relier fluidiquement la deuxième chambre de commande (8) alternativement au conduit d’alimentation en fluide à haute pression (11) et au conduit de retour de fluide à basse pression (12) de manière à commander des courses de frappe et de retour du piston de frappe (5).
  8. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon la revendication 7, dans lequel la chambre de freinage (15) s’étend dans le prolongement de la première chambre de commande (7) et en direction de l’emmanchement (21).
  9. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon l’une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel le circuit d’alimentation hydraulique principal est également configuré pour commander un coulissement du piston de butée (17) selon l’axe de déplacement.
  10. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la surface d’appui (18) est inclinée par rapport à l’axe de déplacement.
  11. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le corps (3) comporte un corps principal (3.1) et une chemise interne (3.2) qui est fixée dans le corps principal (3.1) et qui s’étend autour du piston de butée (17), la chemise interne (3.2) comportant la surface de butée (19).
  12. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, lequel comporte en outre une bague de butée (27) qui est disposée axialement entre l’emmanchement (21) et le piston de butée (17) et qui est configurée pour appliquer la force de poussée sur l’emmanchement (21).
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