[0001] La présente invention concerne un marteau pneumatique de forage, et plus particulièrement
un marteau du type "fond-de-trou", c'est à dire destiné à travailler au fond même
du trou que l'on est en train de forer.
[0002] De tels appareils sont donc disposés à l'extrémité d'un ensemble de tubes qui servent
à lui transmettre l'air comprimé de fonctionnement ainsi que la poussée et le mouvement
général de rotation pour régulariser l'action du taillant de perforation.
[0003] De tels marteaux pneumatiques destinés à travailler au fond du trou comportent généralement
un corps tubulaire alimenté en air comprimé, un mécanisme de distribution, un piston
frappeur,'et un taillant recevant les chocs du piston frappeur pour les transmettre
à la roche. Le piston frappeur est mobile dans un cylindre formé par une chemise intérieure,
et entre la chemise et la paroi intérieure du corps du marteau sont ménagés des passages
longitudinaux servant à amener l'air comprimé agissant sur le piston, d'autres passages
servant à l'échappement de l'air après son action sur l'une ou l'autre face du piston
frappeur. Lorsque de tels marteaux sont prévus pour une amenée indépendante d'un fluide
de chasse de déblais, ils comportent une pièce de raccordement axial à la tuyauterie
d'amenée du fluide à travers les tubes de forage, et un tube axial traversant de part
en part tout l'ensemble du marteau, c'est à dire en particulier le piston frappeur,
pour venir déboucher dans un alésage axial ménagé dans le taillant. Un tel marteau
pneumatique a été décrit par exemple dans le brevet français publié sous le numéro
2.044.939.
[0004] Pour obtenir des efforts suffisants de frappe du piston frappeur sur le taillant,
et par conséquent sur la roche à briser, on utilise de l'air comprimé sous forte pression,
sous 20 à 25 bars par exemple. La consommation qui peut être de l'ordre par exemple
de 10 à 15 Nm3 par minute impose donc l'utilisation de compresseurs de fort débit
sous forte pression, c'est à dire de matériels lourds et encombrants. Il s'agit en
outre de matériels onéreux, aussi bien en valeur d'achat et d'immobilisation, qu'en
coût de fonctionnement car la consommation d'énergie est importante.
[0005] La présente invention permet une réduction importante de ces coûts, et en particulier,
à même efficacité de forage, une importante réduction de la consommation d'énergie.
[0006] L'invention concerne donc un marteau pneumatique de forage de type "fond-de-trou",
comportant un corps tubulaire alimente en air comprimé portant un taillant de perforation,
et dans lequel un piston frappeur est mis en mouvement alternatif dans une chemise
intérieure formant fourreau par un mécanisme de distribution d'air comprimé alternativement
au-dessus et au-dessous du piston frappeur de manière à ce qu'il vienne cycliquement
frapper sur le taillant et remonter.
[0007] Selon l'invention le marteau comporte deux alimentations séparées d'air comprimé,
respectivement à haute et basse pression, le mécanisme de distribution assurant alternativement
l'alimentation en air haute pression de la chambre supérieure au-dessus du piston
frappeur pour le projeter vers le taillant avec mise à l'échappement de la chambre
inférieure, puis l'alimentation en air basse pression de la chambre inférieure pour
faire remonter le piston avec mise à l'échappement de la chambre supérieure.
[0008] Selon une forme particulière de réalisation de l'invention l'alimentation en air
basse pression de la chambre inférieure est assurée par une chambre axiale intérieure
du piston frappeur, tandis que l'alimentation en air haute pression de la chambre
supérieure est assurée par des lumières traversant le fourreau et des rainures longitudinales
formées extérieurement dans l'épaisseur du fourreau.,
[0009] L'invention sera mieux comprise en se référant à un mode de réalisation particulier
donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés.
[0010] La figure 1 est une vue générale en coupe longitudinale, en deux parties, d'un marteau
pneumatique réalisé selon l'invention.
[0011] Les figures 2 à 5 sont des vues partielles qui montrent les positions successives
du piston frappeur au cours d'un cycle de fonctionnement.
[0012] En se référant tout d'abord à l'ensemble des deux parties de la figure 1, on verra
que le corps principal 1 du marteau est vissé à sa partie inférieure sur un embout
2 dans lequel coulisse la queue cannelée du taillant de perforation 3. La queue du
taillant est arrêtée en rotation par rapport au corps, et limitée en déplacement axial
par une clavette tangentielle 4 qui porte sur un dégagement 5 de la queue.
[0013] Un fourreau cylindrique 3 double intérieurement le corps 1 sur presque toute sa longueur.
A sa partie inférieure le fourreau 7 prend appui sur une bague entretoise 8 de forme
générale conique, percée d'orifices radiaux 9, et qui prend elle-même appui sur l'embout
2. De façon analogue l'autre extrémité du fourreau 7 est en butée sur une bague 10
munie de conduits radiaux 11. La bague 10 est maintenue par l'extrémité de l'embout
de raccordement 13 vissé sur le corps 1. Par son autre extrémité l'embout 13 reçoit
les pièces usuelles de liaison avec les tubes et tiges d'alimentation et de manoeuvre
du marteau. La pièce 15 qui transmet la poussée sur le marteau forme un premier conduit
annulaire 16 autour d'un tube 17 ; un second conduit annulaire 18 est formé entre
la face interne du tube 17 et un tube central 19.
[0014] Par sa surface interne le fourreau 7 sert de guide au piston frappeur coulissant
21 qui peut se déplacer librement entre une position basse telle que représentée sur
la figure 1 où il est au contact de l'extrémité de la queue du taillant, et une position
haute comme on le verra plus loin lors de la description du fonctionnement de l'appareil.
La partie supérieure du frappeur 21 enserre en permanence la partie basse du tube
17 dont l'extrémité inférieure pleine 23 comporte des canaux 24 qui font communiquer
le conduit annulaire 18 avec une chambre centrale 25 à l'intérieur du frappeur 21.
La chambre 25 est prolongée par deux conduits axiaux 26 et 27, ce dernier débouchant
à la partie inférieure du frappeur. Extérieurement le frappeur 21 comporte une gorge
circulaire 28.
[0015] La surface extérieure du fourreau 7 comporte trois séries de rainures longitudinales
; pour simplifier le dessin on n'a représenté ici qu'une seule rainure de chaque type.
Une première série de rainures supérieures 30 fait communiquer la chambre annulaire
31 qui entoure la bague 10 avec autant d'orifices 32 qui débouchent à l'intérieur
du fourreau. Une deuxième série de rainures inférieures 34 aboutissent à la chambre
annulaire 35 entourant la bague inférieure 8 ; les orifices 36 et 37 traversent la
paroi du fourreau 7 et débouchent dans ces rainures 34. Enfin une troisième série
de rainures 39 fait communiquer les orifices 40 et 41 qui traversent aussi la paroi
du fourreau 7.
[0016] On notera que la chambre 35, autour de la bague 8, communique avec l'extérieur du
marteau par les conduits 9, par les jeux entre les cannelures du taillant et les gorges
conjuguées de l'embout 2, et par la chambre 47 qui communique avec l'extérieur par
les conduits d'échappement 48.
[0017] Le tube central 19 sert à l'amenée d'eau utilisée pour chasser les déblais en fond
de trou. Pour cela le tube 19 se prolonge à la partie inférieure jusqu'à pénétrer
dans la queue du taillant qui comporte un canal central conjugué 43. La pénétration
du tube dans la queue du taillant est déterminée pour que le tube reste engagé quelle
que soit la position du taillant dans son déplacement axial. Le canal central 43 est
prolongé par un canal 44 qui vient déboucher par des orifices 45 à la périphérie du
taillant pour en chasser les déblais.
[0018] Le conduit annulaire extérieur 16 est alimenté en air comprime à haute pression,
par exemple sous 20 à 25 bars. Le conduit annulaire intérieur 18 est alimenté en air
comprimé à basse pression par exemple sous 6 bars.
[0019] On n'a pas représenté sur les dessins les raccords d'alimentation simultanée du marteau
par les trois fluides différents, liquide de chasse pour le tube central 19, air basse
pression pour le conduit 18, air haute pression pour le conduit 16. De tels raccords,
ainsi que la structure des tubes allonges de liaison avec la surface ont été déjà
décrits par exemple par le brevet français publié sous le numéro 2.126.118.
[0020] On se référera maintenant aux figures 2 à 5 pour comprendre le fonctionnement du
marteau, ainsi alimenté en air comprimé sous deux pressions différentes. Sur la figure
2, comme sur la figure 1 précédente, le piston frappeur 21 est représenté en position
basse, juste après son impact sur la queue du taillant. Dans cette position l'air
à haute pression remplit le conduit 16, la chambre intermédiaire 49, les conduits
11, la chambre annulaire 31, les rainures 30 et les orifices 32 ; mais ceux-ci, à
l'intérieur du fourreau, sont obturés par le frappeur 21 et l'air haute pression reste
prisonnier dans les rainures 30. Par contre l'air à basse pression qui arrive par
le conduit 18 passe par les conduits 24 dans la chambre 25, et de là par les conduits
26 et 27 remplit la chambre inférieure 50 sous le frappeur 21. La pression dans la
chambre inférieure 50 fait remonter le frappeur 21 sans autre réaction que son propre
poids car la chambre supérieure 51 communique alors librement avec l'échappement à
l'extérieur du marteau par les orifices 36, les rainures 34 et la chambre 35.
[0021] Lorsque dans sa course de remontée le frappeur atteint la position représentée à
la figure 3, l'arrivée d'air à basse pression est interrompue par obturation des orifices
24 par les parois de la chambre 26. En même temps la chambre 50 est mise à l'échappement
par l'ouverture des orifices 37 qui la font alors communiquer avec les rainures 34.
[0022] Sous l'impulsion donnée le frappeur 21 va poursuivre sa course vers le haut et la
gorge 28 va se trouver face aux orifices 32 et se remplir d'air à haute pression.
[0023] Lorsque le frappeur atteint la position représentée à la figure 4 la gorge 28, déjà
pleine d'air sous haute pression, fait directement communiquer les orifices 32 et
40, si bien que par les rainures 39 et les orifices 41 la chambre 51 se trouve remplie
d'air sous haute pression.
[0024] Les orifices d'échappement 36 étant déjà fermés, la haute pression dans la chambre
51 repousse violemment le frappeur 21 vers le bas, sans contrepression puisque la
chambre inférieure 50 est alors à l'échappement par les orifices découverts 37.
[0025] Au cours de sa course descendante (figure 5), le frappeur 21 ferme d'abord l'alimentation
haute pression de la chambre 51, puis met celle-ci à l'échappement en découvrant les
orifices 36. Un peu avant l'impact sur l'extrémité de la queue du taillant l'échappement
de la chambre 50 est fermé par obturation des orifices 37, puis l'air basse pression
est à nouveau amené dans la chambre 50 par ouverture des orifices 24 sur la chambre
25, et le cycle peut recommencer.
[0026] On voit qu'ainsi à chaque cycle, c'est à dire à chaque aller et retour du frappeur
21, seule la phase active de lancée du frappeur vers le taillant est consommatrice
d'air à haute pression, tandis que la phase inactive de remontée ne consomme que de
l'air sous basse pression ; l'effort engendré par la basse pression dans la chambre
50 est suffisante pour assurer la libre remontée du frappeur qui bénéficie d'ailleurs
de l'effet de rebond lors du choc sur l'extrémité de la queue du taillant. La consommation
en air à haute pression est donc globalement divisée sensiblement par deux, ce qui
permet pour la même puissance de perforation, d'utiliser un matériel beaucoup moins
encombrant, moins coûteux à l'achat et moins coûteux en consommation d'énergie. L'alimentation
en air comprimé sous basse pression de l'ordre de 6 bars ne nécessite en effet qu'un
raccordement à un réseau usuel de distribution, ou un groupe compresseur de faible
coût d'achat et de consommation.
[0027] On notera qu'à l'échappement, aussi bien l'air haute pression après action dans la
chambre supérieure 51 que l'air basse pression après travail dans la chambre inférieure
50, se retrouvent mélangés dans la chambre 35, puis à la sortie du marteau dans les
conduits 48.
[0028] Bien entendu l'invention n'est pas strictement limitée au mode de ré-
alisation qui vient d'être décrit à titre d'exemple, mais elle couvre également les
réalisations qui n'en différeraient que par des détails, par des variantes d'exécution,
ou par l'utilisation de moyens équivalents.
[0029] Ainsi, bien que la description ci-dessus ait été faite pour un marteau pneumatique
comportant une amenée centrale de fluide de chasse, on observerait le même avantage
de réduction de consommation d'énergie pour un marteau sans fluide de chasse, et dont
les déblais ne seraient évacués que par l'air d'échappement issu des conduits 48.
1.- Marteau pneumatique de perforation de type "fond-de-trou", comportant un corps
tubulaire (1) alimenté en air comprimé et portant un taillant de perforation (3),
et dans lequel un piston frappeur (21) est mis en mouvement de va-et-vient dans une
chemise intérieure (7) formant fourreau par un mécanisme de distribution de l'air
comprimé alternativement au-dessus et au-dessous du piston frappeur de manière à ce
qu'il vienne cyniquement frapper sur le taillant et remonter, caractérisé par le fait
que le marteau comporte deux alimentations séparées (16, 18) d'air comprimé, respectivement
à haute et basse pression, le mécanisme de distribution assurant alternativement l'alimentation
en air haute pression de la chambre supérieure (51) au-dessus du piston (21) pour
le projeter vers le taillant avec mise à l'échappement de la chambre inférieure (50),
puis l'alimentation en air basse pression de la chanbre inférieure (50) pour faire
remonter le piston (21) avec mise à l'échappement de la chambre supérieure (51).
2.- Marteau pneumatique selon revendication 1, caractérisé par le fait que l'alimentation
en air basse pression de la chambre inférieure est assurée par une chambre axiale
intérieure (25) du piston frappeur (21), tandis que l'alimentation en air haute pression
de la chambre supérieure (51) est assurée par des lumières (32, 40, 41) traversant
le fourreau (7) et des rainures longitudinales (30, 39) formées extérieurement dans
l'épaisseur du fourreau.
3.- Marteau pneumatique selon revendication 1, caractérisé par le fait que les conduits
déchappement (36, 37), respectivement de l'air haute pression de la chambre supérieure
(51) et de l'air basse pression de la chambre inférieure (50), présentent une partie
commune (34) débouchant à la partie inférieure du marteau.
4.- Marteau pneumatique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé
par le fait qu'il comporte en outre un conduit axial (19) d'alimentation en fluide
de chasse des déblais.