Analyse du fonctionnement d’un brise-roche hydraulique

2.2 Analyse du fonctionnement d’un brise-roche hydraulique

Un brise-roche hydraulique existe sous de nombreuses formes structurelles. À partir du principe de fonctionnement, les auteurs extraient et synthétisent les idées les plus fondamentales et les plus essentielles d’un brise-roche hydraulique, et les réduisent à trois modes de fonctionnement de base : purement hydraulique, hydraulique-pneumatique combiné et à explosion azotée.

2.2.1 Principe de fonctionnement purement hydraulique

Le principe de fonctionnement purement hydraulique comporte trois formes de mise en œuvre : chambre avant à pression constante / chambre arrière à pression variable (abréviation « principe à pression constante dans la chambre avant »), chambre arrière à pression constante / chambre avant à pression variable (abréviation « principe à pression constante dans la chambre arrière ») et chambre avant et arrière à pression variable (abréviation « principe à pression variable »).

(1) Principe à pression constante dans la chambre avant

Il s'agit du principe de fonctionnement initialement adopté au début du développement des brise-roches hydrauliques ; toutes les avancées techniques ultérieures s'y sont fondées. Le brise-roche hydraulique à pression constante dans la chambre avant est illustré à la figure 2-1.

D’après la figure 2-1, le système se compose d’un corps de cylindre, d’un piston, d’une vanne de commande et de canaux d’huile. Le corps de cylindre et le piston constituent le mécanisme de frappe. Le piston effectue un mouvement alternatif à l’intérieur du corps de cylindre, entraîné par l’huile hydraulique, délivrant ainsi de l’énergie de frappe vers l’extérieur et exerçant une forte force de frappe sur la cible, produisant un effet marteau.

Le casse-roche hydraulique représenté à la figure 2-1 a son piston positionné au point de frappe ; la tige de commande de la vanne se trouve à la position où elle vient juste d’achever la commutation entre la phase de travail et la phase de retour. À cet instant, l’huile sous haute pression pénètre dans la chambre à haute pression constante du cylindre (chambre a ) par le conduit à haute pression constante de la vanne, entraînant le piston en phase de retour (vers la droite). L’huile contenue dans la chambre à pression variable du piston (chambre b ) est renvoyé vers le réservoir par le port 4 et le port de sortie d’huile à pression variable / retour de la soupape. Lorsque le piston recule jusqu’à ce que son épaulement avant dépasse le port 2 du corps de cylindre, de l’huile sous haute pression est dirigée vers le port 5 de la soupape de poussée, provoquant ainsi le basculement de la soupape (vers la gauche). Comme la chambre à haute pression constante de la soupape est désormais reliée à la chambre intermédiaire à pression variable, de l’huile sous haute pression pénètre dans la chambre arrière du piston b par le port 4. Les deux faces du piston sont désormais soumises à de l’huile sous haute pression, mais comme la surface supportant la pression dans la chambre arrière b est supérieure à celle de la chambre avant a , le piston commence à ralentir lors de la course de retour, sa vitesse chute à zéro, et il entame la course de travail (vers la gauche). Lorsque l’évidement central du piston relie les orifices 2 et 3, le piston vient juste d’atteindre le point de choc, achevant ainsi un cycle ; parallèlement, l’orifice 5 de la soupape de poussée se connecte à la conduite de retour d’huile, ce qui provoque le déplacement de la tige vers la droite, la ramenant à la position illustrée à la figure 2-1, achevant ainsi un cycle complet et préparant le piston à sa prochaine course de retour. De cette manière, le piston réalise des chocs continus, délivrant en permanence de l’énergie de choc. Chambre à air c dans ce principe de fonctionnement est évacuée vers l’atmosphère.

(2) Principe de pression constante dans la chambre arrière

Il convient de préciser que ce principe de fonctionnement ne peut être réalisé que si la surface portante de la chambre avant du piston a est supérieure à celle de la chambre arrière b , c’est-à-dire si le diamètre de la chambre avant du piston est inférieur au diamètre de la chambre arrière ( d ₁ > d ₂).

La figure 2-2 montre le schéma d’un brise-roche hydraulique à chambre arrière à pression constante / chambre avant à pression variable.

Par rapport à la figure 2-1, la seule différence est que le raccord 1 du corps du cylindre est relié à la chambre à pression variable de la valve au lieu de la chambre à pression constante (haute pression) ; le raccord 4 est relié directement à la chambre à pression constante de la valve ; tous les autres passages d’huile sont identiques. La figure 2-2 illustre le moment précis où la course de puissance du piston vient de se terminer et où la valve a déjà basculé — le système se trouve à l’instant où la course de retour commence.

Le caractère fonctionnel de ce principe est que le brise-roche hydraulique ne rejette pas d’huile pendant la course de retour, mais rejette de l’huile pendant la course de puissance ; et la surface supportant la pression de la chambre avant a est supérieure à celle de la chambre arrière b en raison de la brièveté de la durée de la détente lors du coup de puissance et du débit élevé, les pertes de pression hydraulique liées à ce principe sont supérieures à celles du principe à pression constante dans la chambre avant. Actuellement, la plupart des brise-roches hydrauliques n’utilisent pas ce principe.

(3) Principe à pression variable dans les chambres avant et arrière

Le principe à pression variable dans les chambres avant et arrière est illustré à la figure 2-3. À partir de ce schéma, il apparaît clairement que ce type de dispositif hydraulique à impact présente une structure complexe comportant de nombreux passages, ce qui augmente les coûts de fabrication. Il n’est donc pas utilisé sur les brise-roches hydrauliques actuels ; toutefois, il est encore employé sur certains modèles de perforatrices hydrauliques.

La figure 2-3 montre la position atteinte à la fin du coup de puissance du piston et au début de la course de retour. Lorsque la course de retour commence, de l’huile sous haute pression provenant de la chambre intermédiaire de la valve pénètre dans la chambre avant du piston a par l’intermédiaire de la chambre gauche et de l’orifice 1 du cylindre, poussant le piston vers la droite. L’huile contenue dans la chambre arrière b est évacué vers le réservoir d'huile par le port 5 du cylindre et la chambre droite de la valve. Pendant la course de retour, lorsque l'épaule gauche du piston dépasse le port 2 du corps de cylindre, l'huile sous haute pression entrant par le port 7 pousse le tiroir de la valve vers la droite ; le tiroir de la valve commute instantanément les circuits d'alimentation et d'évacuation d'huile du corps de cylindre — le port 5 du cylindre passe sous haute pression tandis que le port 1 du cylindre est relié au réservoir de retour — ce qui provoque un ralentissement du piston, dont la vitesse chute rapidement à zéro, puis un passage à l'accélération de la course de travail. Lorsque la course de travail du piston atteint le point d'impact, l'évidement central du piston relie les ports 2 et 3 du cylindre, les ports 4 et 5 sont mis en communication, le côté gauche du tiroir de la valve est relié, via le port 7, aux ports 2 et 3 pour le retour d'huile, tandis que le port droit 6 du tiroir est relié, via les ports 4 et 5, la chambre droite et la chambre intermédiaire de la valve, à la haute pression, ce qui entraîne une commutation du tiroir vers la gauche, modifiant ainsi les circuits d'alimentation et d'évacuation d'huile du cylindre et achevant un cycle de fonctionnement complet du piston. Le piston et le tiroir du dispositif hydraulique de frappe reviennent à l'état illustré à la figure 2-3 — début de la course de retour. Ainsi, le brise-roche hydraulique, grâce au mouvement alternatif continu du piston, délivre en continu de l'énergie d'impact vers l'extérieur, accomplissant efficacement le travail d'impact.

Les trois principes de fonctionnement entièrement hydrauliques décrits ci-dessus sont actuellement utilisés dans les perforatrices hydrauliques, les brise-roches hydrauliques et d'autres mécanismes hydrauliques à impact, mais les brise-roches hydrauliques utilisent encore plus couramment le principe de fonctionnement combiné hydraulique-pneumatique.

2.2.2 Principe de fonctionnement combiné hydraulique-pneumatique

À partir de l’analyse du principe de fonctionnement entièrement hydraulique, on constate que toute l’énergie d’impact d’un mécanisme à impact entièrement hydraulique est fournie par le système hydraulique. Toutefois, à mesure que l’utilisation des brise-roches entièrement hydrauliques s’est accrue et que la recherche a progressé, il est apparu que les pertes hydrauliques étaient très importantes, ce qui limitait toute amélioration supplémentaire de l’efficacité. L’huile circulant dans les passages internes du corps de cylindre doit frotter contre les parois des conduits, et les pertes hydrauliques dues aux coudes, aux changements de diamètre et aux changements de direction de l’écoulement sont considérables ; plus le débit est élevé, plus les pertes le sont également, et cela est particulièrement marqué pendant la phase de puissance.

Actuellement, le principe de fonctionnement hydraulique-pneumatique combiné est principalement utilisé pour les brise-roches hydrauliques nécessitant une énergie de choc élevée et une fréquence faible, ainsi que pour les pilonneuses hydrauliques.

Pour améliorer l’efficacité, après des recherches approfondies, les ingénieurs ont mis au point une méthode simple et efficace : utiliser conjointement du gaz et de l’huile pour fournir l’énergie de choc du brise-roche hydraulique. Cela réduit le débit requis pendant la phase de puissance — diminuant ainsi les pertes hydrauliques et améliorant l’efficacité de fonctionnement — d’où le brise-roche hydraulique à principe hydraulique-pneumatique combiné.

Le principe structurel du brise-roche hydraulique à principe hydraulique-pneumatique combiné est très simple : il suffit de charger la chambre à air c selon les trois principes hydrauliques purs mentionnés ci-dessus, avec de l’azote à une pression déterminée. Comme de l’azote est désormais présent, lorsque le piston effectue la course de retour, l’azote est comprimé et de l’énergie est emmagasinée ; lors de la course de travail, cette énergie est libérée conjointement avec l’huile pour actionner le piston, générant ainsi de l’énergie cinétique au point d’impact, puis convertie en énergie de choc. Il est clair que le rôle de l’azote réduit nécessairement la quantité d’huile utilisée pendant la course de travail, ce qui diminue la consommation d’huile et permet ainsi de réduire les pertes hydrauliques et d’augmenter le rendement.

Par rapport à un brise-roche purement hydraulique, la surface efficace supportant la pression dans la chambre arrière du piston b dans un marteau hydraulique combiné hydraulique-pneumatique est réduite. Cette réduction de la surface effective d’appui sous pression signifie une consommation d’huile moindre pendant la phase de puissance et des pertes hydrauliques plus faibles — c’est là la raison principale pour laquelle les marteaux hydrauliques combinés hydraulique-pneumatique se sont développés rapidement ces dernières années. Presque tous les marteaux hydrauliques combinés hydraulique-pneumatique utilisent le principe de fonctionnement à pression constante dans la chambre avant ; il s’agit également d’une caractéristique clé du type hydraulique-pneumatique.

2.2.3 Principe de fonctionnement à base d’azote-explosif

Le principe de fonctionnement d’un marteau hydraulique à base d’azote-explosif ne diffère pas fondamentalement de celui d’un marteau hydraulique combiné hydraulique-pneumatique ; seuls les paramètres structurels du piston varient. La différence essentielle réside dans le fait que les diamètres du piston avant et arrière sont égaux, c’est-à-dire d ₂ = d ₁, et toute l’énergie de frappe est fournie par l’azote.

Des diamètres de piston identiques à l’avant et à l’arrière constituent la caractéristique principale du brise-roche hydraulique à azote explosif. Pendant la phase de puissance, la chambre arrière ne consomme pas d’huile, et toute l’énergie de choc peut être fournie par l’azote. Bien entendu, l’énergie stockée dans l’azote est fournie par le système hydraulique pendant la phase de retour et convertie en énergie cinétique lors de la phase de puissance. Ainsi, en dernière analyse, c’est toujours de l’énergie hydraulique qui est convertie — mais, grâce à la compression du gaz et au stockage d’énergie, l’énergie stockée dans l’azote est libérée pendant la phase de puissance et convertie en énergie mécanique du piston.

Il convient de souligner que seul le principe à pression constante de la chambre avant peut être appliqué au casse-roche hydraulique à explosion azotée ; ni le principe à pression constante de la chambre arrière, ni le principe à pression variable des chambres avant et arrière ne peuvent être appliqués à un casse-roche hydraulique de type azote. La raison en est claire dès lors que l’on comprend la caractéristique du piston qui d ₂ = d ₁.