WO2019158834A1 - Perforateur hydraulique roto-percutant pourvu d'une chambre de commande reliée en permanence à un accumulateur basse pression - Google Patents

Perforateur hydraulique roto-percutant pourvu d'une chambre de commande reliée en permanence à un accumulateur basse pression Download PDF

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WO2019158834A1
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roto
pressure fluid
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Jean-Sylvain Comarmond
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Montabert
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Definitions

  • the present invention relates to a rotary-percussive hydraulic drill more specifically used on a drilling rig.
  • a drilling rig comprises, in known manner, a roto-percussion hydraulic perforator slidably mounted on a slideway and driving one or more drillbars, the last of these drillbars carrying a tool called a cutter which in contact with the rock.
  • a perforator generally aims to drill more or less deep holes in order to place explosive charges.
  • the perforator is therefore the main element of a drilling rig which, on the one hand, confers on the cutter the rotation and the percussion through the drill bars so as to penetrate the rock, and on the other hand, provides an injection fluid so as to extract debris from the drilled hole.
  • a roto-percussive hydraulic perforator more particularly comprises firstly a striking system which is driven by one or more hydraulic fluid flow rates from a main hydraulic supply circuit and which comprises a striking piston configured to strike, to each cycle of operation of the perforator, a fitting coupled to the drill bars, and secondly a rotation system provided with a hydraulic rotary motor and configured to rotate the fitting and the drill bars.
  • the support force of the roto-percussion hydraulic perforator on the drill bars, and thus the cutting edge on the rock, is generated by the slide, thanks to a cable or a drive chain moved by a hydraulic jack or a hydraulic motor. More specifically, the bearing force is transmitted from the body of the perforator to the fitting via a stop element incorporated in the body of the perforator.
  • This stop element can be constituted, for powerful perforators, a stop piston at least one surface is hydraulically supplied so as to ensure transmission of the support force by means of a fluid.
  • Document WO2010 / 082871 discloses a roto-percussive hydraulic perforator in which, in operating conditions of the striking system, the stop piston is positioned in a position of equilibrium, conforming to a stroke. desired strike of the striking piston, via a hydraulic control chamber defined by the striking piston and the body of the perforator and permanently connected to a high pressure fluid supply conduit, the chamber of hydraulic control being configured on the one hand to urge the stop piston forward and on the other hand to be connected to a low-pressure fluid return duct when the rear face of the stop piston is located at a predetermined distance of the rear wall of the cavity receiving the stop piston.
  • the present invention aims to remedy all or part of these disadvantages.
  • the technical problem underlying the invention is therefore to provide a hydraulic perforator which is simple and economical structure, while having improved performance.
  • the present invention relates to a roto-percussion hydraulic punch comprising:
  • a fitting intended to be coupled to at least one drill bar equipped with a tool
  • a plunger slidably mounted inside the body along a strike axis and configured to hit the fitting
  • a stop piston which is tubular and which is slidably mounted in a cavity of the body along an axis of displacement substantially parallel to the strike axis, the stop piston comprising a front face facing towards the fitting and intended to position the fitting into a predetermined equilibrium position with respect to the striking piston, and a rear face opposite the front face and facing a rear wall of the cavity, and a main hydraulic supply circuit configured to control an alternating sliding of the striking piston along the strike axis and to control a sliding of the stop piston along the axis of displacement, the main hydraulic supply circuit comprising a conduit high pressure fluid supply and a low pressure fluid return line,
  • the body and the stop piston delimiting at least in part a first control chamber permanently connected to the high pressure fluid supply conduit and configured to bias the stop piston forward, i.e. towards the fitting and therefore opposite the rear wall of the cavity, the roto-percussion hydraulic perforator further comprising a connecting channel configured to fluidly connect the first control chamber 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 a predetermined value,
  • the main hydraulic supply circuit further comprises a low pressure accumulator connected to the low pressure fluid return line, and in that the body and the stop piston further delimit at least a second chamber controller permanently connected to the low pressure accumulator and configured to bias the stop piston forward.
  • Such a configuration of the second control chamber makes it possible, because of the permanent connection of the latter with the low-pressure accumulator, to ensure a high-speed movement of the stop piston forwardly when the rock breaks under the impact of the striking piston and that the fitting is suddenly free to advance. This makes it possible to quickly restore a normal bearing force of the drill bar tool on the rock, despite the movements due to the penetration of the drill bar into the ground and the various vibrations of the body of the drill.
  • 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 optimum strike stroke of the striking piston.
  • the hydraulic perforator may further have one or more of the following features, taken alone or in combination.
  • the low pressure accumulator is a membrane accumulator, such as a hydropneumatic accumulator.
  • the membrane accumulator advantageously comprises a flexible membrane whose first face is subjected to the pressure of a compressible gas volume contained in the membrane accumulator and whose second face is subjected to the pressure of the fluid at low pressure coming from the fluid return duct at low pressure.
  • the second control chamber is connected to the low pressure accumulator by a return channel.
  • the stop piston comprises a first annular control surface extending transversely to the axis of displacement and delimiting at least in part the first control chamber and a second annular control surface. extending transversely to the axis of movement and at least partially defining the second control chamber, the second annular control surface having a surface greater than the surface of the first annular control surface.
  • the first control chamber has a cross section smaller than the cross section of the second control chamber.
  • each of the first and second annular control surfaces extends substantially perpendicular to the axis of displacement.
  • the first annular control surface is closer to the front face of the stop piston than the second annular control surface.
  • the body and the stop piston delimit at least in part further a third control chamber permanently connected to the low pressure fluid return conduit, the third control chamber being antagonistic at the first and second control chambers.
  • the third control chamber is permanently connected to the low pressure accumulator. According to one embodiment of the invention, 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 the 'fitting.
  • the third control chamber is connected to the low-pressure fluid return conduit by a fluid communication channel provided with a calibrated orifice.
  • the return channel comprises a nozzle comprising the calibrated orifice.
  • the third control chamber has a cross section smaller than the cross section of the second control chamber.
  • the stop piston comprises the connecting channel
  • 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 outer surface of the stop piston, the second end portion being adapted to be 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 greater than the predetermined value.
  • the stop piston comprises the connecting channel.
  • the connecting channel comprises a first end portion opening into the first control chamber and a second end portion opposite to the first end portion and opening into an outer surface of the stop piston, the second end portion of the connecting channel being adapted 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 upper cavity at 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 greater than the predetermined value.
  • the annular groove is connected to the low pressure accumulator.
  • the roto-percussion hydraulic perforator comprises a supply channel connecting the first control chamber to the high-pressure fluid supply conduit.
  • the supply channel is provided with a calibrated orifice.
  • the feed channel comprises a nozzle comprising the calibrated orifice.
  • the stop piston is slidably mounted around the striking piston.
  • the main hydraulic supply circuit comprises a high pressure accumulator connected to the high-pressure fluid supply duct.
  • the high pressure accumulator is a membrane accumulator, such as a hydropneumatic accumulator.
  • the membrane accumulator forming the high pressure accumulator advantageously comprises a flexible membrane whose first face is subjected to the pressure of a compressible gas volume contained in the membrane accumulator and whose second face is subjected to the pressure of the diaphragm. high pressure fluid from the high pressure fluid supply conduit.
  • the roto-percussion hydraulic perforator further comprises an annular abutment member disposed between the fitting and the front face of the stop piston.
  • the annular abutment member is an abutment ring.
  • the roto-percussion hydraulic perforator comprises a thrust bearing disposed between the rear face of the stop piston and the rear wall of the cavity.
  • the thrust bearing may for example be a rolling thrust bearing.
  • the stop piston comprises an annular bearing surface configured to abut against an annular abutment surface of the body.
  • the annular bearing surface is configured to abut against the annular abutment surface of the body when the rear face of the stop piston is located at a predetermined distance from the rear wall of the cavity, the predetermined distance being greater than the predetermined value.
  • the annular bearing surface is inclined with respect to the axis of displacement.
  • the stop piston comprises an annular collar comprising the annular bearing surface.
  • the annular flange delimits at least in part the third control chamber.
  • the annular collar comprises the first annular control surface.
  • the body comprises a piston cylinder in which the striking piston is slidably mounted alternately, the cavity being formed in the body coaxially with the piston cylinder.
  • the fitting extends longitudinally along the strike axis.
  • the fitting comprises a first end portion facing the striking piston and provided with an end face against which is intended to strike the striking piston, and a second portion end, opposite the first end portion, to be coupled to the at least one drill bar.
  • the high pressure fluid supply duct is a high pressure incompressible fluid supply duct
  • the low pressure fluid return duct is a fluid return duct. incompressible at low pressure
  • Figure 1 is a longitudinal sectional view of a rotopercutant hydraulic perforator according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is a longitudinal sectional view, on an enlarged scale, of a detail of FIG. 1.
  • Figure 3 is a longitudinal sectional view of a rotopercutant hydraulic perforator according to a second embodiment of the invention.
  • Figure 4 is a longitudinal sectional view of a rotopercutant hydraulic perforator according to a third embodiment of the invention.
  • Figures 1 and 2 show a first embodiment of a rotopercutant hydraulic perforator 2 which is intended for the perforation of boreholes, and which is provided in particular with a striking system and a rotation system.
  • the rotopercutting hydraulic perforator 2 more particularly comprises a body 3 comprising a piston cylinder 4.
  • the body 1 comprises a main body 3.1 partially delimiting the piston cylinder 4, as well as a front jacket 3.2 and a rear jacket 3.3 mounted in force in a bore 3.4 delimited by the main body 3.1.
  • the rotary percussion hydraulic hammer striking system 2 comprises a striking piston 5 alternatively slidably mounted in the piston cylinder 4 along a strike axis A.
  • the striking piston 5 and the cylinder 4 define a primary control chamber 6 which is annular, and a secondary control chamber 7 which has a section larger than that of the primary control chamber 6 and which is antagonistic to the primary control chamber 6.
  • the rotary percussion hydraulic hammer striking system 2 further comprises a control valve 8 arranged to control reciprocating movement of the striking piston 5 within the piston cylinder 4 alternately in a striking stroke and a return stroke.
  • the control distributor 8 is configured to put the secondary control chamber 7, alternatively in connection with a high-pressure fluid supply duct 9, such as a high-pressure incompressible fluid supply duct, during the stroke stroke of the striking piston 5, and with a low-pressure fluid return conduit 11, such as a low pressure incompressible fluid return conduit, during the return stroke of the striking piston 5.
  • the conduit high-pressure fluid supply 9 and the low-pressure fluid return line 11 belong to a main hydraulic supply circuit which is provided with the striking system.
  • the main hydraulic supply circuit may advantageously comprise a high-pressure accumulator 12 connected to the high-pressure fluid supply duct 9.
  • the control distributor 8 is more particularly mounted to move in a bore formed in the body 3 between a first position (see FIG. 2) in which the control distributor 8 is configured to put the secondary control chamber 7 in relation with the conduit. fluid supply at high pressure 9 and a second position in which the control valve 8 is configured to put the secondary control chamber 7 in relation with the low pressure fluid return conduit 11.
  • the primary control chamber 6 is advantageously permanently supplied with high-pressure fluid by a feed channel (not shown in the figures), so that each position of the control valve 8 causes the stroke stroke of the piston of hit 5, then the return stroke of the punch piston 5.
  • the rotary percussion hydraulic hammer striking system 2 also comprises a thrust piston 13 which is tubular and which is slidably mounted in a cavity 14 of the body 3 along an axis of displacement parallel to the strike axis A and preferably coincides with the A striking pin A.
  • the stop piston 13 is slidably mounted around the striking piston 5, and the cavity 14 is formed in the body 3 coaxially with the piston cylinder 4 .
  • the rotopercutant hydraulic perforator 2 further comprises a fitting 15 intended to be coupled, in known manner, to at least one drilling bar (not shown in the figures) equipped with a tool.
  • the fitting 15 extends longitudinally along the strike axis A, and has a first end portion 16 facing the striking piston 5 and provided with an end face 17 against which is intended to strike the piston. 5 during each cycle of operation of the rotating hydraulic perforator 2, and a second end portion (not shown in the figures), opposite the first end portion 16, to be coupled to the at least one a drill bar.
  • the stop piston 13 having a front face 18 facing the fitting 15 and intended 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 facing a rear wall 21 of the cavity 14.
  • the body 3 and the stop piston 13 delimit, with the striking 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 before, that is to say towards the fitting 15 and therefore opposite the rear wall 21 of the cavity 14.
  • the roto-percussion hydraulic punch 2 advantageously comprises a feed channel 23 connecting the first chamber 22 to the high-pressure fluid supply conduit 9.
  • the feed channel 23 is provided with a calibrated orifice 24, which may for example be provided on a nozzle incorporated in the feed channel 23.
  • the body 3 and the stop piston 13 delimit, with the striking piston 5, also a second control chamber 25 connected to a low pressure accumulator 26 which belongs to the main hydraulic power supply system of the striking system and which is connected to the low pressure fluid return conduit 11.
  • the second control chamber 25 is, like the first control chamber 22, also configured to bias the stop piston 13 forward.
  • the roto-percussion hydraulic perforator 2 comprises a return channel 27 connecting the second control chamber 25 to the low-pressure accumulator 26.
  • the stop piston 13 comprises a first annular control surface 28, also called first annular active surface, extending perpendicularly to the axis of displacement and partially delimiting the first control chamber 22, and a second annular control surface 29, also called second annular active surface, extending perpendicularly to the axis of displacement and partially delimiting the second control chamber 25.
  • the second annular control surface 29 presents advantageously an upper surface than the surface of the first annular control surface 28.
  • the second control chamber 25 advantageously has a cross section greater than the cross section of the first control chamber 22.
  • the body 3 and the stop piston 15 also delimit a third control chamber 31 permanently connected to the low-pressure fluid return duct 11, via a fluid communication channel 32 opening into the third chamber.
  • control 31 and the return channel 27 which connects the fluidic communication channel 32 to the low pressure fluid return conduit 11.
  • 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 backwards.
  • the second control chamber 25 is dimensioned to have an active surface on the stop piston 13 much larger than the active surface of the third control chamber 31.
  • the second and third control chambers 25, 31 being connected to the channel of return 27 and to the low pressure accumulator 26, calculating the difference of the two active surfaces of the second and third control chambers 25, 31 gives a resultant active surface pushing the stop piston 13 forward and subjected to pressure of the low pressure accumulator 26.
  • the roto-percussive hydraulic perforator 2 further comprises a connecting channel 33 configured to fluidically 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 end portion 33.1 and opening into an outer surface of the stop piston 13.
  • the second end portion 33.2 of the connecting channel 33 is adapted to be fluidly connected to a groove annular 34, which opens into the cavity 14 and which is permanently connected to the low-pressure fluid return duct 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 13, which is subjected, by the rock, to a force responsive to the thrust force exerted by the rotary-percussive hydraulic perforator 2 ceases to advance, and finds an equilibrium position on the edge of the outlet of the connecting channel 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 orifice 24 is advantageously t of very small dimension relative to the connecting channel 33 and the return channel 27 so that the pressure that is established in the first control chamber 22 drops very rapidly when the connecting channel 33 opens in the annular groove 34.
  • the flow rate passing through the calibrated orifice 24 should preferably remain low since it is taken from the high-pressure fluid supply duct 9. As described above, the flow rate of fluid supplying the first control chamber 22 is low, and therefore, the speed of displacement of the stop piston 13, resulting from this flow of fluid, is also low.
  • the second control chamber 25 is freely powered by the low-pressure accumulator 26, and will make it possible to push the stop piston 13 forward and at high speed, for example when the rock gives way under the impact of the striking piston 5 and that the fitting 15 is suddenly free to advance.
  • This makes it possible to quickly restore a normal support force of the tool of the drill bar on the rock, despite the movements due to the penetration of the drill bar into the ground and the various vibrations of the body 3 of the drill, all by providing, through the first control chamber 22, an average position of the stop piston 13 which respects the strike stroke C provided for the striking piston 5.
  • the roto-percussion hydraulic perforator 2 also comprises a rotation system comprising a hydraulic motor 35 driving a driving pinion 36 and a pinion receiver 37, so as to ensure a rotational movement of the fitting 15.
  • the hydraulic motor 35 is advantageously powered hydraulically by an external hydraulic supply circuit.
  • the fitting 15 When the roto-percussion hydraulic perforator 2 is in operation, the fitting 15 is rotated by the hydraulic motor 35, and the fitting 15 receives on its end face 17 the cyclical impacts of the striking piston 5, provided by the striking system powered by the main hydraulic supply circuit.
  • the carrier on which is mounted roto-percussion hydraulic perforator 2 applies a thrust force on the drill bar via the body 3 of the rotary percussion hydraulic punch 2 and the fitting 15.
  • a l inside the perforator, between the body 3 and the fitting 15, this force is transmitted via the stop piston 13 and an abutment member 38, such as an abutment ring, disposed between the fitting 15 and the front face 18 of the stop piston 13.
  • the positioning of the stop piston 13 is thus purely hydraulic and is arranged so that the strike 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 abutment surface 41 of the body 3, so as to limit the displacement path of the stop piston 13 towards the front, c That is, towards the fitting 15.
  • the annular abutment 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 bearing surface 39 is inclined with respect to the axis of displacement, and partly delimits the third control chamber 31.
  • FIG. 3 shows a second embodiment of the rotopercutant hydraulic perforator 2 which differs from the first embodiment essentially in that the fluidic communication channel 32 is provided with a calibrated orifice 42, which may for example be provided on an incorporated nozzle the 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 outer surface of the stop piston 13, the second end portion 33.2 of the connecting channel 33 being adapted to be 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 first control chamber 22 is subjected to the 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 high pressure oil then flows into the third control chamber 31 whose connection with the return channel 27 is throttled by the calibrated orifice 42.
  • the first and third control chambers 22, 31 then take rather close pressures, which reduces or cancels the forward thrust of the stop piston 13.
  • the thrust piston 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 freely powered by the low pressure accumulator 26, and will allow to push forward and at high speed the abutment piston 13, for example when the rock gives way under the impact of the striking piston 5.
  • This makes it possible to quickly return to a normal support force of the tool of the drill bar on the rock, despite the movements due to the penetration of the bar drilling in the field and the various vibrations of the body 3 of the perforator, while ensuring, thanks to the first and third control chambers 22, 31, an average position of the stop piston 13 which respects the strike stroke C of the striking piston 5.
  • the stop piston 13 comprises an annular collar 43, also called annular shoulder, which comprises the annular support surface 39 and the first annular control surface 28.
  • the annular flange 43 advantageously delimits in part the first control chamber 22 and in part the third control chamber 31.
  • the feed channel 23 is advantageously devoid of calibrated orifice, or any other specific throttling element.
  • FIG. 4 shows a third embodiment of the rotopercutant hydraulic perforator 2 which differs from the first embodiment essentially in that the roto-percussion hydraulic perforator 2 comprises a thrust bearing 44, such as a roller thrust bearing, arranged between the rear face 19 of the stop piston 13 and the rear wall 21 of the cavity 14.
  • a thrust bearing 44 such as a roller thrust bearing
  • the stop piston 13 is pressed, by the reaction force of the ground, against not the rear wall 21 of the cavity 14 (which could induce rotational friction of the stop piston 13 against the body 3 and thus to generate damage to different parts constituting the perforator), but against the thrust bearing 44 (which greatly limits the wear of the roto-percussion hydraulic perforator 2, and without the addition of external fluid to the caliper of the stop piston 13).

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Abstract

Perforateur hydraulique roto-percutant pourvu d'une chambre de commande reliée en permanence à un accumulateur basse pression Le perforateur hydraulique roto-percutant (2) comprend un corps (3); un emmanchement (15); un piston de frappe (5) configuré pour frapper l'emmanchement (15); un piston de butée (13) comportant une face avant (18) tournée vers l'emmanchement (15) et une face arrière (19) située en regard d'une paroi arrière (21) d'unecavité (14)recevant le piston de butée; et un circuit principal d'alimentation hydraulique comportant 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) délimitent 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, et une deuxième chambre de commande (25) configurée pour solliciter le piston de butée (13) vers l'avant et reliée en permanence à un accumulateur basse pression (26) relié au conduit de retour de fluide à basse pression (11).

Description

Perforateur hydraulique roto-percutant pourvu d'une chambre de commande reliée en permanence à un accumulateur basse pression
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 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.
L'effort d'appui du perforateur hydraulique roto-percutant sur les barres de forage, et donc du taillant sur la roche, est généré par la glissière, grâce à un câble ou une chaîne d'entraînement mu(e) par un vérin hydraulique ou un moteur hydraulique. Plus précisément, l'effort d'appui est transmis 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 l'effort d'appui au moyen d'un fluide.
La stabilité et la performance en vitesse de pénétration d'un perforateur hydraulique roto-percutant, lorsqu'il fonctionne, dépendent notamment de la façon dont ce piston de butée est disposé et alimenté hydrauliquement.
Le document W02010/082871 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 W02010/082871 permet d'assurer un positionnement approximativement stable du piston de butée pendant le fonctionnement du système de frappe.
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 tubulaire et 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 destinée à 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 circuit principal d'alimentation hydraulique configuré pour commander un coulissement alternatif du piston de frappe selon l'axe de frappe et pour commander un coulissement du piston de butée selon l'axe de déplacement, le circuit principal d'alimentation hydraulique comportant 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, c'est-à-dire vers l'emmanchement et donc à l'opposé de la paroi arrière de la cavité, le perforateur hydraulique roto-percutant 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,
caractérisé en ce que le circuit principal d'alimentation hydraulique comporte en outre un accumulateur basse pression relié au conduit de retour de fluide à basse pression, et en ce que le corps et le piston de butée délimitent en outre au moins en partie une deuxième chambre de commande reliée en permanence à l'accumulateur basse pression et configurée pour solliciter le piston de butée vers l'avant.
Une telle configuration de la deuxième chambre de commande permet, du fait de la liaison permanente de cette dernière avec l'accumulateur basse pression, d'assurer un déplacement à grande vitesse du piston de butée vers l'avant lorsque la roche cède sous l'impact du piston de frappe et que l'emmanchement est brutalement libre d'avancer. Ceci permet de rétablir rapidement une force d'appui normale de l'outil de la barre de forage sur la roche, et ce malgré les mouvements dus à la pénétration de la barre de forage dans le terrain et les vibrations diverses du corps du perforateur.
En outre, 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.
Ainsi, la configuration particulière du perforateur hydraulique roto- percutant selon la présente invention lui confère des performances 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, l'accumulateur basse pression est un accumulateur à membrane, tel qu'un accumulateur hydropneumatique. L'accumulateur à membrane comporte avantageusement une membrane flexible dont une première face est soumise à la pression d'un volume de gaz compressible contenu dans l'accumulateur à membrane et dont la seconde face est soumise à la pression du fluide à basse pression provenant du conduit de retour de fluide à basse pression.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la deuxième chambre de commande est reliée à l'accumulateur basse pression par un canal de retour.
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, la deuxième surface de commande annulaire présentant une surface supérieure à la surface de la première surface de commande annulaire.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la première chambre de commande présente une section transversale inférieure à la section transversale de la deuxième chambre de commande.
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 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 reliée de façon permanente à l'accumulateur basse pression. 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 pourvu d'un orifice calibré.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le canal de retour comporte un gicleur comprenant l'orifice calibré.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la troisième chambre de commande présente une section transversale inférieure à la section transversale de la deuxième chambre de commande.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le piston de butée comporte le canal de liaison, et 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 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 supérieure à la valeur prédéterminée.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le piston de butée comporte le canal de liaison.
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 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 supérieure à la valeur prédéterminée. 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 un canal d'alimentation reliant la première chambre de commande au conduit d'alimentation en fluide à haute pression.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le canal d'alimentation est pourvu d'un orifice calibré.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le canal d'alimentation comporte un gicleur comprenant l'orifice 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 principal d'alimentation hydraulique comporte un accumulateur haute pression relié au conduit d'alimentation en fluide à haute pression.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'accumulateur haute pression est un accumulateur à membrane, tel qu'un accumulateur hydropneumatique. L'accumulateur à membrane formant l'accumulateur haute pression comporte avantageusement une membrane flexible dont une première face est soumise à la pression d'un volume de gaz compressible contenu dans l'accumulateur à membrane et dont la seconde face est soumise à la pression du fluide à haute pression provenant du conduit d'alimentation en fluide à haute pression.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le perforateur hydraulique roto-percutant comporte en outre un organe de butée annulaire disposé entre l'emmanchement et la face avant du piston de butée.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'organe de butée annulaire est une bague de butée.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le perforateur hydraulique roto-percutant comporte un palier de butée disposé entre la face arrière du piston de butée et la paroi arrière de la cavité. Le palier de butée peut par exemple être un palier de butée à rouleaux.
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 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, 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, le corps comporte un cylindre de piston dans lequel le piston de frappe est monté coulissant de façon alternative, la cavité étant ménagée dans le corps coaxialement au cylindre de piston.
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, l'emmanchement comporte une première portion d'extrémité tournée vers le piston de frappe et pourvue d'une face d'extrémité contre laquelle est destiné à frapper le piston de frappe, et une deuxième portion d'extrémité, opposée à la première portion d'extrémité, destinée à être couplée à l'au moins une barre de forage.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le conduit d'alimentation en fluide à haute pression est un conduit d'alimentation en fluide incompressible à haute pression, et le conduit de retour de fluide à basse pression est un conduit de retour de fluide incompressible à basse pression.
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 rotopercutant 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 rotopercutant selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
La figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'un perforateur hydraulique rotopercutant selon un troisième mode de réalisation de l'invention. Les figures 1 et 2 représentent un premier mode de réalisation d'un perforateur hydraulique rotopercutant 2 qui est destiné à la perforation de trous de mine, et qui est pourvu notamment d'un système de frappe et d'un système de rotation.
Le perforateur hydraulique rotopercutant 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 1 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 système de frappe du perforateur hydraulique rotopercutant 2 comporte 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 rotopercutant 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 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 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 principal d'alimentation hydraulique dont est pourvu le système de frappe. Le circuit principal d'alimentation hydraulique peut avantageusement comporter un accumulateur haute pression 12 relié au conduit d'alimentation en fluide à haute pression 9.
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 (non représenté sur les figures), 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 rotopercutant 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 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 rotopercutant 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. L'emmanchement 15 s'étend longitudinalement selon l'axe de frappe A, et comporte une première portion d'extrémité 16 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 rotopercutant 2, et une deuxième portion d'extrémité (non représentée sur les figures), opposée à la première portion d'extrémité 16, 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 destinée à 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.
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 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, avec le piston de frappe 5, également une deuxième chambre de commande 25 reliée à un accumulateur basse pression 26 qui appartient au circuit principal d'alimentation hydraulique du système de frappe et qui est relié au conduit de retour de fluide à basse pression 11. La deuxième chambre de commande 25 est, comme la première chambre de commande 22, également configurée pour solliciter le piston de butée 13 vers l'avant. Avantageusement, le perforateur hydraulique roto-percutant 2 comporte un canal de retour 27 reliant la deuxième chambre de commande 25 à l'accumulateur basse pression 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. En d'autres termes, la deuxième chambre de commande 25 présente avantageusement une section transversale supérieure à la section transversale de la première chambre de commande 22.
Le corps 3 et le piston de butée 15 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 32 débouchant dans la troisième chambre de commande 31 et du canal de retour 27 qui relie le canal de communication fluidique 32 au conduit de retour de fluide à basse pression 11. 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.
De façon avantageuse, la deuxième chambre de commande 25 est dimensionnée pour avoir une surface active sur le piston de butée 13 largement supérieure à la surface active de la troisième chambre de commande 31. Les deuxième et troisième chambres de commande 25, 31 étant reliées au canal de retour 27 et à l'accumulateur basse pression 26, le calcul de la différence des deux surfaces actives des deuxième et troisième chambres de commande 25, 31 donne une surface active résultante poussant le piston de butée 13 vers l'avant et soumise à la pression de l'accumulateur basse pression 26.
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 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 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 calibré 24 est avantageusement de dimension très faible par rapport au canal de liaison 33 et au canal de retour 27 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. De plus, le débit qui passe par l'orifice calibré 24 doit de préférence rester faible car il est prélevé sur le conduit d'alimentation en fluide à haute pression 9. Comme décrit précédemment, le débit de fluide alimentant la première chambre de commande 22 est faible, et donc, la vitesse de déplacement du piston de butée 13, issue de ce débit de fluide, est également faible. Par contre, la deuxième chambre de commande 25 est librement alimentée par l'accumulateur basse pression 26, et va permettre de pousser vers l'avant et à grande vitesse le piston de butée 13, par exemple lorsque la roche cède sous l'impact du piston de frappe 5 et que l'emmanchement 15 est brutalement libre d'avancer. Ceci permet de rétablir rapidement une force d'appui normale de l'outil de la barre de forage sur la roche, malgré les mouvements dus à la pénétration de la barre de forage dans le terrain et les vibrations diverses du corps 3 du perforateur, tout en assurant, grâce à la première chambre de commande 22, une position moyenne du piston de butée 13 qui respecte la course de frappe C prévue du piston de frappe 5.
Le perforateur hydraulique roto-percutant 2 comprend également un système de rotation comportant un moteur hydraulique 35 entraînant un pignon moteur 36 et un pignon récepteur 37, de façon à assurer un mouvement de rotation de l'emmanchement 15. Le moteur hydraulique 35 est avantageusement alimenté hydrauliquement par un circuit externe d'alimentation hydraulique.
Lorsque le perforateur hydraulique roto-percutant 2 est en fonctionnement, l'emmanchement 15 est mis en rotation grâce au moteur hydraulique 35, 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 principal d'alimentation hydraulique. 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 du perforateur hydraulique roto- percutant 2 et l'emmanchement 15. A l'intérieur du perforateur, entre le corps 3 et l'emmanchement 15, cette force se transmet par l'intermédiaire du piston de butée 13 et d'un organe de butée 38, tel qu'une bague de butée, disposé entre l'emmanchement 15 et la face avant 18 du piston de butée 13. 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 du 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 rotopercutant 2 qui diffère du premier mode de réalisation essentiellement en ce que le canal de communication fluidique 32 est pourvu d'un orifice calibré 42, qui peut par exemple être prévu sur un gicleur incorporé au canal de communication fluidique 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 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 librement alimentée par l'accumulateur basse pression 26, et va permettre de pousser vers l'avant et à grande vitesse le piston de butée 13, par exemple lorsque la roche cède sous l'impact du piston de frappe 5. Ceci permet de revenir rapidement à une force d'appui normale de l'outil de la barre de forage sur la roche, malgré les mouvements dus à la pénétration de la barre de forage dans le terrain et les vibrations diverses du corps 3 du perforateur, tout en assurant, grâce aux première et troisième chambres de commande 22, 31, une position moyenne du piston de butée 13 qui respecte la course de frappe C prévue du piston de frappe 5. 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 est avantageusement dépourvu d'orifice calibré, ou de tout autre élément d'étranglement spécifique.
La figure 4 représente un troisième mode de réalisation du perforateur hydraulique rotopercutant 2 qui diffère du premier mode de réalisation essentiellement en ce que le perforateur hydraulique roto-percutant 2 comporte un palier de butée 44, tel qu'un palier de butée à rouleaux, disposé entre la face arrière 19 du piston de butée 13 et la paroi arrière 21 de la cavité 14.
Lorsque le système de frappe du perforateur hydraulique roto-percutant 2 n'est pas alimenté et que le système de rotation de ce dernier est en fonctionnement, l'emmanchement 15 est en rotation ainsi que l'organe de butée 38 et le piston de butée 13. Etant donné que le positionnement du piston de butée 13 dans la position d'équilibre prédéterminée ne se fait que lorsque le système de frappe est en marche (procurant ainsi le fluide nécessaire dans les première, deuxième et troisième chambres de commande 22, 25, 31), alors le piston de butée 13 est plaqué, par la force de réaction du terrain, contre non pas la paroi arrière 21 de la cavité 14 (ce qui pourrait induire une friction rotative du piston de butée 13 contre le corps 3 et donc générer des dommages à différentes pièces constitutives du perforateur), mais contre le palier de butée 44 (ce qui limite grandement l'usure du perforateur hydraulique roto-percutant 2, et ce sans addition de fluide externe au niveau du piston de butée 13).
Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de ce perforateur hydraulique, décrites ci-dessus à titre d'exemples, elle en embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation.

Claims

REVENDICATIONS
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 destinée à 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 circuit principal d'alimentation hydraulique configuré pour commander un coulissement alternatif du piston de frappe (5) selon l'axe de frappe (A) et pour commander un coulissement du piston de butée (13) selon l'axe de déplacement, le circuit principal d'alimentation hydraulique comportant 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 perforateur hydraulique roto-percutant (2) 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,
caractérisé en ce que le circuit principal d'alimentation hydraulique comporte en outre un accumulateur basse pression (26) relié au conduit de retour de fluide à basse pression (11), et en ce que le corps (3) et le piston de butée (13) délimitent en outre au moins en partie une deuxième chambre de commande (25) reliée en permanence à l'accumulateur basse pression (26) et configurée pour solliciter le piston de butée (13) vers l'avant.
2. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon la revendication 1, 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), la deuxième surface de commande annulaire (29) présentant une surface supérieure à la surface de la première surface de commande annulaire (28).
3. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon la revendication 1 ou 2, 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).
4. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon la revendication 3, dans lequel la troisième chambre de commande (31) est reliée au conduit de retour de fluide à basse pression (11) par un canal de communication fluidique (32) pourvu d'un orifice calibré (42).
5. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon la revendication 3 ou 4, dans lequel 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 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.
6. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le piston de butée (13) comporte le canal de liaison (33).
7. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon la revendication 6, 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.
8. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon la revendication 7, dans lequel le corps (3) comporte une gorge annulaire (34) débouchant dans la cavité
(14) et reliée en permanence au conduit de retour de fluide à basse pression (11), la deuxième portion d'extrémité (33.2) du canal de liaison (33) étant apte à être reliée fluidiquement à la gorge annulaire (34) 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.
9. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, lequel comporte un canal d'alimentation (23) reliant la première chambre de commande (22) au conduit d'alimentation en fluide à haute pression (9).
10. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon la revendication 9, dans lequel le canal d'alimentation (23) est pourvu d'un orifice calibré (24).
11. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le piston de butée (13) est monté coulissant autour du piston de frappe (5).
12. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel le circuit principal d'alimentation hydraulique comporte un accumulateur haute pression (12) relié au conduit d'alimentation en fluide à haute pression (9).
13. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, lequel comporte en outre un organe de butée annulaire (38) disposé 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, lequel comporte un palier de butée (44) disposé entre la face arrière (19) du piston de butée (13) et la paroi arrière (21) de la cavité (14).
15. Perforateur hydraulique roto-percutant (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, dans lequel le piston de butée (13) comporte une surface d'appui annulaire (39) configurée pour venir en butée contre une surface de butée annulaire (41) du corps (3).
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