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PROCEDE ET OUTIL DE PERFORATION DANS LA ROCHE ET AUTRES MATIERES DURES DANS LEQUEL LE TRAVAIL S'EXECUTE SIMULTANEMENT PAR ROTATION ET PERCUSSION.
Pour les travaux de mine, en particulier le forage de trous de mine, il existe trois procédés différents, à savoir le forage au moyen d'un fleuret ou autre outil rotatif, procédé dans lequel l'outil est constamment en rotation et appuyé contre le fond du trou sous l'action d'un effort de poussée extrêmement puissant, en particulier dans le cas de roches dures ; le procédé de pergage par percussion dans lequel l'outil vient heurter le fond du trou par des coups se succédant à intervalles rapprochés, la position de l'outil variant à chaque coup.
Un troisième procédé consiste dans la réunion des deux procédés précités de perçage; dans ce troisième procédé, d'une part, on réalise un entaillage du fond du trou en appliquant le procédé par percussion et, d'autre part, on applique simultanément le procédé de perçage par rotation pour détacher la roche qui se trouve entre deux entailles consécutives.
Bien que ce dernier procédé offre le plus d'avantages et qu'il soit connu depuis longtemps, il reste peu appliqué en pratique. On en trouve une raison dans le fait que les recherches engagées pour mettre au point ce procédé ont conduit à proposer des marteaux perforateurs travaillant par percussion, ayant d'ordinaire une vitesse allant jusqu'à 1800, mais toujours inférieure à 2000 coups par minute. On devait alors, pour le travail de perçage rotatif qui s'ajoutait au travail de percussion, prévoir une poussée considérable de l'ou- til contre la roche ; pression était si élevée que la tige de l'outil se cintrait et n'était pas capable de transmettre cette pression élevée au fond du trou.
Pour éliminer cet inconvénient, on a déjà proposé d'augmenter considérablement la vitesse de frappe du marteau frappeur et, en fait, de la porter à une valeur de 2000 à 6000, de préférence de 3000 coups par minute. On obtient de cette manière une amélioration considérable du procédé et des rendements bien meilleurs que ceux obtenus avec les vitesses de frappe plus faibles antérieures et l'on a pû, en particulier, réduire considérablement l'effort de poussée de l'outil contre le fond du trou.
Cependant, ce procédé n'a pas donné entièrement satisfaction, soit que dans le cas de marteaux à percussion on pré-
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voit purement et simplement de la manière connue un déplacement de l'outil grâce au rebondissement qui se produit après chaque coupsoit que l'on utilise un moteur rotatif tournant continuellement, indépendamment du travail de percussion.
De nouveaux travaux de recherches dans ce domaine et plus particulièrement une étude approfondie des conditions d'usure de l'outil ont montré que le travail de percussion produisait sur les bords de coupe une surface irrégulière en forme de cratère alors que le travail par rotation exerçait une action de matage et également fortement émoussante sur les arêtes de coupe.
Diverses considérations ont conduit à admettre que la forte usure produite pendant la rotation, et contrairement à ce qui serait nécessaire, était due au fait que l'outil ne pouvait pas après chaque coup et au cours de l'opération de rotation qui suivait immédiatement, évacuer et désagréger la roche détachée par le choc, et que plutôt, au cours du changement de position usuel les coups se produisaient irrégulièrement par rapport à l'opération de rotation; de ce fait, le travail de formation d'éclats qui s'exerçait au cours du mouvement de rotation était également irrégulier.
Lorsque des outils rotatils de ce genre tournaient aux vitesses élevées usuelles qui étaient entièrement indépendantes des vitesses de percussion ou de frappe, les distances séparant les entailles individuelles étaient tantôt trop grandes, tantôt irrégulières ; de ce fait, au cours du mouvement de rotation, elles usaient trop fortement l'outil et cela, indépendamment du fait que, dans le cas de roches très dures, et même en dépit d'une augmentation de la vitesse de frappe, il était indispensable d'appliquer encore une pression supplémentaire considérablement plus éle- vée.
La supposition que l'usure importante constatée dans le travail par rotation était due à l'irrégularité du travail de formation d'éclats a trouvé aussi sa confirmation dans le fait que, lorsqu'on réduisait la vitesse de rotation habituelle de ces outils d'environ 700 tours jusqu'à 150 tours par minute et même au-dessous, l'usure par rotation diminuait proportionnellement à la diminution de la vitesse de rotation et, de ce fait, la vitesse de perçage de chaque outil ainsi que la durée de service des arêtes de coupe augmentaient d'une façon considérable. Toutes les recherches ont montré que ces effets étaient très étroitement liés au rapport existant entre la vitesse de percussion et la vitesse de rotation, c'est-à-dire la vitesse périphérique de l'outil.
Le meilleur rendement et les meilleurs effets sont alors obtenus lorsque, conformément à l'invention, les entailles se succèdent d'une manière aussi régulière que possible, c'est-à-dire lorsqu'on détermine le rapport entre la vitesse périphérique et la vitesse de percussion en donnant aux entailles successives exécutées dans le trou de perçage une dimension déterminée et cela, bien entendu, de telle manière qu'au cours du travail de formation d'éclats succédant à chaque coup, l'éclat qu'on a détaché puisse être convenablement désagrégé par le mouvement de rotation.
Il est possible de cette manière d'obtenir un rendement de perçage extraordinairement élevé, qui est de deux à trous fois plus élevé que les plus forts rendements de perçage obtenus jusqu'ici, de réduire considérablement l'effort de poussée et de descendre même pour certaines roches en dessous de 100 kg, de telle sorte qu'il devient même alors possible d'appliquer le procédé à la main, sans qu'on ait besoin d'un moyen mécanique pour produire l'effort de poussée.
Des recherches ont montré que, dans le cas de roches tendres, telles que de l'ardoise, des bancs de grès, de la potasse, du sel et des produits analogues, la distance la mieux appropriée séparant les entailles qui se succèdent à la périphérie de l'outil est de 6 à 9 mm, c'est-à-dire qu'après Chaque coup, l'outil doit tourner de telle manière que les entailles individuelles successives se trouvent éloignées l'une de l'autre à la périphérie de 6 é 9 mm.
Dans le cas de roches de dureté moyenne, par exemple de grès, l'écartement le mieux approprié pour ces entailles est de 3 à 6 mm, tandis que dans le cas de roches dures, telles par exemple que les grès de houillères de type quartzeux, un écartement de 1 à 3 mm est indispensable.
Il résulte de ce qui précède que, pour obtenir de bons rendements de perçage, la vitesse de rotation de l'outil doit être adaptée à la vitesse
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de percussion et à la dureté de la roche.
A titre d'exemple non limitatif, le dessin annexé représente plu- sieurs modes d'exécution de l'invention.
Sur ce dessin g la fig. 1 est une coupe d'une perforatrice rotative dans laquelle est monté un marteau de percussion qui travaille directement sur le fleuret; la fig. 2 représente une perforatrice analogue dans laquelle tou- tefois le marteau de percussion et l'entraînement sont réalisés d'une manière quelque peu différente; la fig. 3 représente graphiquement, pour une vitesse de frappe dé- terminée, la vitesse de rotation qu'il faut donner à l'outil suivant les di- verses duretés de roches; la fig. 4 représente schématiquement comment les entailles sont séparées les unes des autres.
Dans tous les modes d'exécution, 1 désigne le boîtier de la perfo- ratrice rotative, boîtier dans lequel est logé de manière connue le rotor 2.
L'entraînement de la machine est assuré par de l'air comprimé. Le rotor repo- se sur un arbre 3 auquel il est relié par la partie filetée 4. L'arbre 3 tour- ne dans des paliers à billes 5 et, pour faciliter la rotation de la machine, on utilise un joint à vis réglable qu'on peut fixer en position au moyen d' une vis d'arrêt 7. L'arbre comporte un alésage axial., de préférence cylindri- que dans la partie avant 8, mais de section quadrangulaire dans la partie ar- rière 9. Cet alésage sert à recevoir l'outil 10 dont l'extrémité, par laquelle on l'introduit dans l'appareil, comporte également une partie cylindrique et une partie de section quadrangulaire.
Cette extrémité est légèrement mobile dans l'alésage dans le sens axiale mais elle repose dans la partie quadrangulaire, en s'ajustant dans cette dernière de telle manière que, lorsque le rotor tourne, l'outil se trouve entraîné sans jeu.
A la perforatrice rotative proprement dite est raccordé un marteau à percussion 11, dont le piston 12 est mis en mouvement par de l'air comprimé.
Une soupape 13, intercalée dans la canalisation d'air comprimé,, assure d'une manière très rapide un mouvement alternatif du piston. L'extrémité précitée de l'outil pénètre dans la cavité où se déplace le marteau de percussion. On donne aux chambres de compression qui, dans cette cavité, se trouvent soit devant soit derrière le piston, des dimensions telles que, à chaque course du piston, un choc puissant s'exerce sur l'extrémité libre du fleuret ou tige de perçage et applique ainsi l'outil contre la roche. Dans ce cas, en vue d'amor- tir les coups, on peut munir le piston d'une pièce rapportée 12a en caoutchouc ou en une matière élastique quelconque.
On amène l'air comprimé ou le liquide sous pression au moteur rotatif 2 par la tubulure 30 dans laquelle est logé un robinet 31 servant au réglage de la pression, tandis qu'on amène le liquide sous pression ou l'air comprimé au moteur de percussion par une tubulure 32 qui comporte également une vanne de réglage 33.
L'appareil fonctionne alors de telle manière que, tandis que l'outil est entraîné par le rotor de la perforatrice, cet outil est en outre poussé constamment contre le fond du trou de perçage par le piston du marteau de percussion qui fonctionne à. environ 4000 à 6000, mais au moins à 2000, et de préférence à 3000 coups par minute. Le piston du marteau de percussion n'a besoin que d'une course très faible, d'environ 10 à 20 mm. La course étant faible, la vitesse de percussion est élevée et, de ce fait, il en résulte purement et simplement pour l'outil une vibration axiale de faible amplitude, sans que ce dernier soit soumis à des coups violents et secs, bien que la pression résul- tante s'exerçant contre le fond du trou de perçage soit considérable.
En utilisant la pièce rapportée amortissante 12a, on peut atténuer les effets de choc du marteau de percussion et, dans une mesure encore plus importante, transformer ces effets de choc en une pression statique régulière.
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@ de d?exécution représente sur la fig. 2 se distingue simplement de celui représenté sur la fig. 1 par le fait que le piston 12 du marteau de percussion comporte une tige de percussion 14 par laquelle il pénètre dans l'alésage pratiqué dans l'arbre 3. De cette manière, le piston se trouve mieux guidé dans ses mouvements de vibration et l'extrémité de l'outil qui pénètre dans l'appareil se trouve raccourcie de façon correspondante.
Pour assurer le réglage de la vitesse de rotation, le moteur rotatif 2 agit sur un arbre creux 34 qui porte à son extrémité supérieure une couronne dentée 35. Cette dernière engrène avec une roue dentée 36 dont l'arbre 37 porte une autre roue dentée 38. A son tour, cette dernière est en prise avec une roue dentée 39. La roue dentée 39 prend appui sur un manchon 40 qui, de même manière que 1?arbre 3 représenté sur la fige 1, est relié à la broche de perçage 10.
Les roues dentées sont interchangeables de manière qu'on puisse faire varier le rapport de transmission entre le moteur 2 et le fleuret.
La succession des entailles, si conformément à l'invention elle doit être la plus uniforme possible, c'est-à-dire si les entailles successives pratiquées dans le fond du trou de perçage doivent avoir une valeur déterminée, est donnée par la formule suivante : kd=nDÒ.
S formule dans laquelle kd est l'écartement entre les entailles à la périphérie du trou de perçage; S, le nombre de coups (par minute) du moteur du marteau; D, le diamètre de l'outil, et n, le nombre de tours (par minute) de la perfora- trice; ou bien : n = Skd
D Ò
Si l'on prend, par exemple, une roche de dureté moyenne présentant une dureté Shore d'environ 75, la vitesse de rotation, exprimée en nombre de tours par minutecorrespondant à une vitesse de percussion de 3000 tours par minute, est n = 3000x4
40xÒ.
= 96 tours par minute, si l'on admet que la vitesse de percussion est de 3000 coups par minute, que le diamètre de l'outil est de 40 mm et que 1-'écartement entre entailles successives le mieux approprié à la roche considérée est de 4 mm.
L'écartement entre entailles est une fonction linéaire de la dureté de la roche de sorte que, pour chaque dureté de roche, on peut déterminer graphiquement, à l'aide de la fige 3 ci-annexée., la vitesse de rotation requise de l'outil pour une vitesse de percussion donnée, à savoir de 3000 coups par minute dans l'exemple représenté. Sur le diaphragme, les duretés de roche en unités Shore sont portées en ordonnées, l'écartement entre entailles requis conformément au procédé objet de l'invention étant indiqué en mm et les vitesses de rotation correspondantes de la perforatrice étant portées en abcisse, et cela pour le diamètre d'outil indiqué sur les différentes courbes.
En dessous et à la place du nombre de tours, on a porté, en abscisse, le déplacement angulaire de l'outil pour chaque coup produisant une entaille, à la ligne inférieure suivant le nombre de coups par tours pour une vitesse de percussion de 3000 coups par minute et, finalement, la vitesse de rotation (en nombre de tours par minute), de la perforatrice pour une vitesse de percussion de 6000 coups par minute.
Un second point à considérer est que la force de percussion soit suffisante pour produire dans la roche les entailles requises. Cette force de percussion dépend de la construction du marteau ainsi que de sa vitesse de percussion. Des recherches ont montré qu'une force de percussion d'environ 0,8 à 1,8 kgm par centimètre de longueur d'arête de coupe, suivant la dureté de la roche, est nécessaire pour atteindre le résultat le résultat désiré, c'est-à-dire pour augmenter d'une fagon considérable la vitesse de pénétration ou avance de 1'
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outil.
Des recherches poussées, basées sur une vitesse de percussion de la perforatrice de 3000 coups par minute, ont donné les résultats suivants : Diamètre de Vitesse de Nombre de Ecartement entre Largeur Avance l'outil (en rotation chocs entailles suc- mesurée à de l'outil mm) du moteur par tour cessives à la la péri- (cm/minute) (c.à.d.du périphérie phérie de fleuret) la partie usée.
EMI5.1
<tb>
<tb>
40 <SEP> 560/min. <SEP> 5,3 <SEP> 29 <SEP> mm <SEP> 5,3 <SEP> mm <SEP> 97,0
<tb> 40 <SEP> 420/min. <SEP> 7,1 <SEP> 18 <SEP> mm <SEP> 4,0 <SEP> mm <SEP> 99, <SEP> o <SEP>
<tb> 40 <SEP> 245/min. <SEP> 12,3 <SEP> 10 <SEP> mm <SEP> 2, <SEP> 3 <SEP> mm <SEP> 99,0
<tb> 40 <SEP> 210/min. <SEP> 14,3 <SEP> 6,6 <SEP> mm <SEP> 2,0 <SEP> mm <SEP> 110,6
<tb>
EMI5.2
40 150/min,, 20,0 , mm 1,3 mm 120, o
Le tableau montre qu'en réduisant le nombre de tours, c'est-à-dire en rapprochant la distance entre entailles successives des valeurs préférentiel- les indiquées ci-dessus, la largeur de la partie usée à la périphérie de l'outil diminue et, surtout, la vitesse de pénétration ou avance de l'outil augmente d'une manière'vraiment considérable.
Il apparaît également qu'en dépit de la diminution du nombre de tours de l'outil, l'avance de l'outil augmente. Bien entendu, ceci n'est valable que pour une diminution du nombre de tours jusqu'à une certaine valeur, à savoir jusqu'à ce qu'on ait atteint, pour l'écartement entre entailles successives, la valeur appropriée indiquée ci-dessus. Si l'on diminuait encore la vitesse de rotation, l'avance diminuerait alors de façon correspondante.
Pour la mise en oeuvre du procédé de perçage objet de l'invention qui vient d'être décrit, la meilleure manière de procéder consiste à prévoir pour chaque groupe de roches, c'est-à-dire pour une roche tendre, une roche de dureté moyenne et une roche dure, des perforatrices différentes dans lesquelles la vitesse de rotation et la vitesse de percussion sont équilibrées de façon correspondante, c'est-à-dire que, pour une vitesse de percussion donnée, la ma- chine doit avoir une vitesse de rotation telle qu'on obtient l'écartement spé- cifique désiré (entre entailles consécutives) correspondant à la roche considérée. Bien entendu, il n'est pas besoin de se limiter à trois groupes ; onpeut au contraire répartir aussi les duretés de roches en un nombre de groupes supérieur ou inférieur à trois.
Au lieu de prévoir une machine perforatrice particulièrement pour chacun des groupes différents de dureté de roches, on peut également prévoir des perforatrices réglables, c'est-à-dire des perforatrices dans lesquelles, pour une vitesse de percussion donnée, on peut régler les vitesses de rotation et par suite la vitesse périphérique de l'outil de telle manière qu'on obtient entre entailles successives, l'écartement désiré, correspondant au diamètre de l'outil et à la dureté de la roche. Cette possibilité de réglage peut être obtenue de diverses manières connues en soi, par exemple, dans les perforatrices à air comprimé, en étranglant de façon correspondante, par réglage du robi= net 31, la pression de l'air comprimé admis, ou bien en interposant des mécanismes, des multiplicateurs ou surmultiplicateurs, comme représenté sur la fige 2.
On peut aussig inversement, en partant d'une vitesse de rotation donnée ou d'une vitesse périphérique donnée de l'outil, avoir une vitesse de percussion qui soit réglable de façon appropriée, par exemple en modifiant la pression de l'agent d'entraînement par réglage du robinet 33. Si 1?on tient compte en outre du fait que la force de percussion de l'outil atteint, suivant la roche travaillée, la valeur indiquée plus haut de 0,8 à 1,8 kgm par centimètre de longueur d'arête de coupe, la poussée nécessaire est relativement moindre; cette poussée n'est, d'ailleurs, qu'une fraction de la pression habituelle de perçage, mais en aucun cas n'atteint 2000 kg ou plus.
Dans le cas de perforatrices de grand diamètre, par exemple de 60 à 80 mm, la poussée pourra être comprise en 000
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e- 300 kg @ que, pour des perforatrices de petit calibre, d'environ 30 @ diamètre ? qui comportent, sous la forme d'un simple trépan une longueur carène de coupe denviron 26 à 28 mm, la poussée requise reste en-dessous de 100 kg, de sorte, qu'avec des perforatrices de ce genreil est possible d' exécuter directement à la main des travaux de perçage en utilisant une barre à percer usuelle sans qu'on ait besoin pour cela de colonne ou de chariot de perçage placé sous tension.
Dans toas les cas, pour une vitesse de percussion depar exemple, 3000 coups par minute, la vitesse de rotation doit rester infsrieure à 220 tours par minute et? pour une vitesse de percussion d'environ 6000 coups par minutes la vitesse de rotation doit rester inférieure à 440 tours par minute.
En partant de ces données, il est facile de calculer par interpolation les vitesses de rotation maxima correspondant aux vitesses de percussion intermédiaires, inférieures ou supérieures aux vitesses précitées,
D'ordinaire, c'est un moteur à air comprimé qu'on utilise comme moteur de percussion, bien que l'on puisse également, conformément à la présente invention ? utiliser des moteurs mécaniques dans lesquels on produit les coups par des disques ou des tambours rotatifs munis de marteaux; ou par des masses soulevées par êtes disques entraînés mécaniquement en rotation et qu'on laisse retomber, ou bien encore électriquement au moyen de solénoïdes ou de dispositifs fonctionnant de manière analogue;
on peut de même utiliser comme moteur rotatif un moteur entraîné d'une manière quelconque et présentant la puissance et la vitesse requises.
Lorsqu'il est nécessaire de modifier la vitesse de rotation du moteur pour l'adapter à des roches de natures considérablement différentes, on peut également prévoir plusieurs moteurs rotatifs à vitesses normales différentes afin d'éviter un étranglement trop fort et, par suite, une réduction trop considérable du couple de rotation correspondant,
On a représenté en outre sur la fig. 4 la position relative des entailles. Le cercle représente le fond du trou. Les traits radiaux représentent les emplacements où vient porter le tranchant de l'outil.a est la distance qui sépare ces entailles consécutives à la périphérie dans le cas de roche tendre, b dans le cas de roche de dureté moyenne, et ± dans le cas de roche dure. Il est visible que l'écartement entre entailles successives diffère suivant les diverses sortes de roches.
REVENDICATIFS.
1) Procédé de perçage dans la roche et autres matières dures dans lequel le travail s'exécute simultanément par rotation et par percussion, caractérisé par le fait que dans le cas d'une vitesse de percussion variant de 2000 à 6000 coups par minute, on choisit ou règle le nombre de tours de l'outil en fonction du. nombre de coups, de manière à obtenir un écartement régulier entre entailles successives, le rapprochement des entailles étant fonction de la dureté de la roche à travailler, à savoir un écartement d'environ 6 à 9 mm pour de la roche tendre (ardoise, grès feuilletés potassesels etc..) d'environ 3 à 6 mm pour de la roche de dureté moyenne (par exemple du grès), et d9environ 1 à 3 mm dans le cas dune roche dure (par exemple du grès des houillères de type quartzeux).
2) Procédé suivant 1), caractérisé par le fait que dans le mode d' exécution adopté pour le marteau, la vitesse de percussion du moteur est choisie de manière qu'on obtienne une force de percussion variant, suivant la dureté de la roche, de 0,8 à 1,8 kgm par centimètre de longueur d'arête de coupe.
3) Outil de perforation fonctionnant par rotation et par percussion destiné à des travaux de perçage dans la roche et dans d'autres matières dures suivant 1) ou 2) caractérisé par le fait que pour une vitesse de percussion donnée (ou, inversement, pour une vitesse périphérique donnée de l'outil),? la vitesse périphérique de 1 outil (ou, inversement, la vitesse de percussion) peut être réglée de manière qu'on obtienne entre entailles successives le rapprochement spécifique désiré correspondant à la sorte de roche à travailler.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.