Principe de fonctionnement fondamental des brise-roches hydrauliques

1.3 Principe de fonctionnement de base des brise-roches hydrauliques

Un brise-roche hydraulique est une machine à percussion qui convertit l'énergie hydraulique en énergie mécanique. Elle comporte deux éléments mobiles fondamentaux — un piston et une tige de distribution de la valve — qui se commandent mutuellement en boucle fermée : le mouvement alternatif de la tige de la valve commande la commutation du piston, et ce dernier, au début et à la fin de chaque course, ouvre ou ferme le passage d'huile de commande de la valve, réalisant ainsi la commutation de la valve — ce cycle se répétant continuellement… Le principe de fonctionnement fondamental d’un brise-roche hydraulique est le suivant : grâce à cette commande en boucle fermée piston-tige de valve, le piston effectue des mouvements alternatifs rapides sous l’action de la force hydraulique (ou pneumatique) et frappe le burin pour accomplir un travail sur l’extérieur.

Les brise-roches hydrauliques existent sous de nombreux types et formes, qui seront décrits en détail dans les chapitres ultérieurs. Ci-dessous, le brise-roche hydraulique à chambre avant à pression constante et à chambre arrière à pression variable est pris comme exemple pour décrire son principe de fonctionnement :

Comme illustré sur le schéma, lorsque la course de retour commence, de l’huile sous haute pression pénètre dans la chambre avant du piston par le orifice d’huile 1 et agit simultanément sur l’extrémité inférieure du tiroir de la valve de distribution, maintenant ainsi le tiroir stables dans l’état représenté sur le schéma (a). À ce moment-là, la chambre avant du piston contient de l’huile sous haute pression, tandis que la chambre arrière est reliée au retour T par l’orifice d’huile 4. Sous l’effet de la pression d’huile dans la chambre avant, le piston accélère durant la course de retour et comprime l’azote stocké dans la chambre à azote (sauf pour les modèles purement hydrauliques) ; l’accumulateur emmagasine de l’huile. Lorsque la course de retour du piston atteint l’orifice de commande 2, l’huile sous haute pression parvient à l’extrémité supérieure du tiroir de la valve. À ce stade, les extrémités supérieure et inférieure du tiroir sont toutes deux reliées à l’huile sous haute pression ; comme, dans la conception, la surface efficace de l’extrémité supérieure du tiroir est supérieure à celle de l’extrémité inférieure, le tiroir bascule vers l’état représenté sur le schéma (b) sous l’action de la pression d’huile. À ce moment-là, les chambres avant et arrière du piston sont toutes deux reliées à l’huile sous haute pression, et l’accumulateur déverse de l’huile afin de compléter le système. Sous l’effet de la force composée F_q, le piston accélère durant la course de travail, frappe le burin et délivre de l’énergie de percussion. Lorsque le piston dépasse le point de percussion, les orifices de commande 2 et 3 sont mis en communication et reliés au retour d’huile T ; la pression d’huile à l’extrémité supérieure du tiroir diminue ; sous l’effet de la pression d’huile à l’extrémité inférieure, le tiroir revient rapidement à l’état représenté sur le schéma (a). Le système revenant ainsi à son état initial, le piston entame une nouvelle course de retour, entrant dans le cycle suivant de frappe, et ainsi de suite, de façon cyclique. Dans ce processus, la relation de liaison entre le piston et le tiroir de la valve est illustrée à la figure 1-2.

D’après la figure 1-1, on constate que, pendant la phase de puissance, en négligeant le poids du piston et la résistance au frottement, la force F_q entraînant le piston et effectuant un travail d’impact comprend principalement la pression hydraulique et la pression du gaz azote, soit : F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. La force motrice F_q dépend de la différence entre les aires efficaces des chambres avant et arrière, de la pression d’huile p et de la pression dans la chambre d’azote p_N. En fonction des rapports différents entre le travail hydraulique et le travail pneumatique, trois modes de fonctionnement peuvent se former : hydraulique pur, hydraulique-pneumatique combiné et à explosion d’azote.

Hydraulique pur : p_N = 0. Dans ce mode, le casse-roche hydraulique ne comporte pas de chambre d’azote et le piston est entièrement entraîné par la différence de pression d’huile entre les chambres supérieure et inférieure : F_q = π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Ce mode constitue la forme la plus ancienne apparue lors de l’introduction initiale des casse-roches hydrauliques.

Combinaison hydraulique-pneumatique : Dans cette configuration, d₁ < d₂, et simultanément une chambre d’azote est ajoutée à l’extrémité arrière du piston, introduisant de l’azote pour effectuer un travail, avec p_N > 0. La force F_q est principalement composée de deux parties : la différence de pression d’huile entre les chambres avant et arrière, et la force résultant de la compression-détente de l’azote. F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Cette configuration constitue actuellement la forme la plus courante de brise-roche hydraulique. Selon les proportions différentes de travail fourni respectivement par l’huile et le gaz dans la force motrice totale, c’est-à-dire selon différents rapports de travail gaz/liquide, des produits aux performances variées peuvent être conçus.

Explosif à azote : Dans cette configuration, d₁ = d₂ et p_N > 0. La force hydraulique entre les chambres supérieure et inférieure est nulle ; le travail du piston pendant la phase de puissance est entièrement assuré par la pression du gaz dans la chambre d’azote. F_q = π/4 · p_N · d₁². Cette configuration représente la forme la plus récente de brise-roche hydraulique.

Les trois formes présentent toutes des avantages et des inconvénients, mais leurs performances globales s’améliorent d’une génération à l’autre. Le type entièrement hydraulique, qui constitue la première forme apparue lorsque les brise-roches hydrauliques ont fait leur apparition, possède une structure simple et un fonctionnement fiable, sans nécessiter de force de poussée initiale ; toutefois, son taux d’utilisation de l’énergie est faible et il n’est pas adapté à la fabrication de produits de grande taille. Le type hybride hydraulique-pneumatique représente une avancée majeure par rapport au type entièrement hydraulique : en ajoutant une chambre à azote à l’extrémité arrière du piston, il exploite efficacement l’énergie de la course de retour et améliore considérablement la force de choc ; néanmoins, sa structure est plus complexe et une force de poussée initiale est nécessaire pour son fonctionnement. Le brise-roche hydraulique à explosion d’azote, du point de vue énergétique, ne nécessite aucun travail hydraulique pendant la course de puissance, ce qui le rend plus économe en énergie ; par ailleurs, les diamètres des chambres avant et arrière du piston sont identiques, ce qui permet de résoudre efficacement la difficulté liée à l’alimentation en huile insuffisante au cours de la course de puissance du piston. Toutefois, en raison de la pression élevée initiale de gonflage à l’azote, la force de poussée requise est plus importante.

1.4 Structure de base et classification des brise-roches hydrauliques

1.4.1 Structure de base des brise-roches hydrauliques

Bien que les brise-roches hydrauliques existent sous de nombreuses variantes, ils partagent des caractéristiques structurelles communes. La composition de base d’un brise-roche hydraulique comprend : le corps de cylindre, le piston, la vanne de distribution, l’accumulateur, la chambre à azote, le siège de burin, le burin, les boulons haute résistance et les systèmes d’étanchéité. Les différents types de brise-roches hydrauliques présentent des différences structurelles légères, mais chaque brise-roche comporte deux éléments mobiles fondamentaux : le piston et la tige de vanne. Sa structure de base est illustrée à la figure 1-3.

(1) Mécanisme de percussion

Un brise-roche hydraulique possède un piston relativement long et élancé, qui constitue son composant le plus important. Selon la théorie de la transmission des ondes de contrainte, afin de transmettre au maximum l’énergie de choc du piston, le diamètre du piston de frappe est généralement sensiblement égal ou proche du diamètre de l’extrémité de la tige de la pointe, ce qui garantit un contact complet à la surface de frappe et permet ainsi de transmettre efficacement l’énergie. Le jeu d’ajustement entre le piston de frappe et le corps du cylindre ou la douille de chemise constitue un paramètre technique très important. Si ce jeu est trop important, des fuites internes très importantes se produisent, ce qui entraîne une force de frappe insuffisante et peut même empêcher le brise-roche de fonctionner normalement ; si, en revanche, le jeu est trop faible, le mouvement du piston peut devenir lent ou provoquer un grippage, tout en faisant augmenter fortement les coûts de fabrication.

(2) Mécanisme de distribution

Un brise-roche hydraulique comporte généralement une vanne de distribution qui modifie le sens d’écoulement de l’huile hydraulique, permettant ainsi de commander et d’entraîner le mouvement alternatif du piston de frappe. Les formes structurelles des vannes de distribution sont nombreuses ; on peut en général les classer en deux grandes catégories : les vannes à tiroir et les vannes à manchon. Les vannes à tiroir sont généralement légères, consomment peu d’huile, ont un diamètre plus petit, ainsi qu’un jeu d’accouplement et des fuites plus réduits ; toutefois, elles présentent le plus souvent une structure en escalier, une usinabilité structurelle relativement médiocre et des pertes de charge par étranglement plus importantes. Les vannes à manchon sont plus lourdes, de diamètre plus important, et leur jeu d’accouplement ainsi que leurs fuites sont également relativement plus importants ; néanmoins, leur usinabilité structurelle est bonne, leur gradient de surface d’ouverture est élevé et leurs pertes de charge par étranglement sont faibles. Le jeu d’accouplement entre le tiroir de la vanne et le corps de la vanne ou le manchon de la vanne constitue un autre paramètre technique essentiel dans la fabrication des brise-roches hydrauliques ; des jeux trop importants ou trop faibles empêchent tous deux le bon fonctionnement de la vanne.

(3) Mécanisme de stabilisation de la pression de l’accumulateur

La plupart des brise-roches hydrauliques comportent un ou plusieurs accumulateurs, qui assurent le stockage d’énergie et la stabilisation de la pression. Un brise-roche hydraulique ne fournit du travail à l’extérieur que pendant la phase de puissance ; la phase de retour constitue une préparation à la phase de puissance. Lorsque le piston revient, de l’huile hydraulique pénètre dans l’accumulateur à une pression supérieure à celle de la chambre de charge et est emmagasinée sous forme d’énergie potentielle de l’huile dans l’accumulateur. Elle est libérée pendant la phase de puissance du piston, transformant ainsi la majeure partie de l’énergie de la phase de retour en énergie de percussion. Ainsi, l’accumulateur contribue à améliorer l’efficacité de fonctionnement du système tout en réduisant les chocs de pression et les pulsations de débit provoqués par la commutation du tiroir de la valve de distribution.

(4) Mécanisme d’actionnement

Le burin est l'élément actionneur du brise-roche hydraulique qui effectue un travail externe, agissant directement sur l'objet à travailler ; il s'agit d'une pièce d'usure nécessitant une bonne résistance à l'abrasion, dure à l'extérieur et tenace à l'intérieur, avec une dureté variant progressivement de l'extérieur vers l'intérieur. Pour s'adapter aux diverses conditions de travail et aux différents objets à travailler, les burins sont disponibles en forme pointue, carrée, à pelle ou à tête plate.

(5) Mécanisme de prévention des tirs à blanc

Comme un brise-roche hydraulique possède une énergie de choc élevée, si le piston est autorisé à frapper directement la culasse du cylindre, cela endommagera gravement le corps du brise-roche — provoquant un tir à blanc. La structure de prévention des tirs à blanc consiste à ajouter une chambre tampon hydraulique à l’avant du corps du cylindre. Lorsque le burin n’a pas encore contacté la roche et avance vers l’avant, le piston de choc pénètre dans la chambre tampon, comprimant l’huile qu’elle contient et absorbant ainsi l’énergie de choc, ce qui assure une protection amortie du corps de la machine. Parallèlement, l’orifice d’entrée d’huile de la chambre avant est fermé, de sorte que, sous l’effet de la gravité et de l’action de l’azote situé dans la partie arrière, le piston ne peut pas reculer ; ce n’est que lorsque le burin entre à nouveau en contact avec la roche et repousse le piston avec une pression plus importante exercée par le bras que celui-ci sort de la chambre tampon, permettant alors à l’huile sous haute pression d’entrer dans la chambre avant et de rétablir le fonctionnement normal. Comme illustré à la figure 1-4, après que le brise-roche hydraulique a percé l’objet à briser, le piston peut effectuer au maximum 1 à 2 tirs à blanc avant de s’arrêter. L’opérateur doit alors sélectionner à nouveau le point de choc, appuyer fermement le burin contre la surface, exercer une pression, ce qui pousse le burin à écarter le piston de l’orifice d’entrée d’huile de la chambre inférieure, et le travail peut reprendre.

(6) Autres mécanismes

Les autres mécanismes du brise-roche hydraulique comprennent : le cadre de liaison, le dispositif d’amortissement des vibrations, le système d’étanchéité, le système de lubrification automatique, etc.

1.4.2 Classification des brise-roches hydrauliques

Il existe de nombreux types de brise-roches hydrauliques et plusieurs méthodes de classification. Les principales méthodes de classification sont les suivantes :

(1) Classification selon le mode d’exploitation

Les brise-roches hydrauliques sont classés, selon leur mode d’exploitation, en modèles montés sur porteur et modèles portatifs. Les modèles portatifs sont des brise-roches de petite taille, également appelés ciseaux hydrauliques ; leur masse est généralement inférieure à 30 kg, ils sont manipulés manuellement et alimentés par une station de pompe hydraulique dédiée, permettant ainsi de remplacer largement les opérations effectuées avec des ciseaux pneumatiques. Les modèles montés sur porteur sont des brise-roches de taille moyenne ou grande, installés directement sur la flèche d’excavatrices hydrauliques, de chargeuses et d’autres machines hydrauliques porteuses ; ils utilisent le système de puissance, le système hydraulique et le système de mouvement de la flèche de la machine porteuse pour effectuer leurs opérations.

(2) Classification selon le milieu de travail

Les brise-roches hydrauliques sont classés, selon le milieu de travail, en trois grandes catégories : entièrement hydrauliques, hydraulique-pneumatiques combinées et à explosion d’azote. Les types entièrement hydrauliques reposent exclusivement sur la pression d’huile hydraulique pour actionner le piston ; les types hydraulique-pneumatiques combinés utilisent simultanément l’huile hydraulique et de l’azote comprimé situé dans la partie arrière pour actionner le piston ; les types à explosion d’azote reposent entièrement sur l’expansion instantanée de l’azote présent dans la chambre arrière d’azote afin de pousser le piston à effectuer un travail.

(3) Classification selon la méthode de rétroaction

Les brise-roches hydrauliques sont classés, selon la méthode de rétroaction, en rétroaction de course et rétroaction de pression. La différence réside dans la manière dont le signal de rétroaction est capté pour commander la commutation de la valve de distribution. Les brise-roches hydrauliques à rétroaction de course s’appuient sur l’ouverture et la fermeture, par le piston, des orifices de rétroaction d’huile sous haute pression situés le long de sa course afin de commander la commutation de la valve de distribution ; les positions de ces orifices de rétroaction ne peuvent être fixées que de façon rigide, et, en raison des contraintes structurelles, au plus trois orifices de rétroaction peuvent être aménagés ; ainsi, les brise-roches hydrauliques à rétroaction de course ne permettent pas un réglage continu de la fréquence de chocs. Les brise-roches hydrauliques à rétroaction de pression s’appuient sur la mesure de la pression du système ou de la pression de la chambre à azote située à l’extrémité arrière du piston afin de commander la commutation de la valve de distribution ; lorsque le piston pénètre dans la chambre à azote, la pression dans cette chambre varie continuellement, et dès qu’un capteur de pression installé dans la chambre détecte une pression prédéfinie, la valve commute sous le contrôle d’un micro-ordinateur ; comme la pression de commutation peut être définie librement, les brise-roches hydrauliques à rétroaction de pression permettent un réglage continu.

(4) Classification par méthode de distribution

Selon la forme de la vanne de distribution, ils se divisent en deux grandes catégories : les vannes à trois voies avec retour d’huile simple face et les vannes à quatre voies avec retour d’huile double face. Les structures à retour d’huile simple face présentent l’avantage de posséder des circuits d’huile simples et un contrôle aisé ; dans la pratique, elles sont relativement courantes. Le retour d’huile simple face peut être classé en retour d’huile depuis la chambre avant et retour d’huile depuis la chambre arrière ; parmi ces deux types, le retour d’huile depuis la chambre avant présente l’inconvénient d’une résistance élevée à l’aspiration et au retour d’huile, si bien que la forme actuellement la plus répandue est celle du maintien d’une pression constante dans la chambre avant associée à un retour d’huile depuis la chambre arrière. Le retour d’huile double face à vanne à quatre voies est également appelé type à action double ; sa caractéristique principale est l’absence de chambre à pression constante, les pressions dans les chambres avant et arrière alternant entre haute et basse ; toutefois, en raison de la complexité des circuits d’huile propres à la structure à retour d’huile double face, ce type est peu répandu.

(5) Classification selon la disposition de la vanne de distribution

Selon la disposition de la vanne de distribution, celles-ci se divisent en deux types : à montage interne et à montage externe. Le type à montage interne peut être lui-même subdivisé en type à tiroir et type à manchon. Les vannes de distribution à montage interne sont intégrées au corps du cylindre en une seule pièce, ce qui confère une structure compacte ; les vannes de distribution à montage externe sont indépendantes du corps du cylindre et situées à l’extérieur de celui-ci, ce qui assure une structure simple ainsi qu’un entretien et un remplacement aisés.

En outre, selon le niveau sonore, elles peuvent être classées en types à faible bruit et types standards ; selon la forme de leur enveloppe extérieure, elles peuvent être classées en casse-roches triangulaires, en forme de tour ou entièrement fermés, etc. Les différentes méthodes de classification sont résumées à la figure 1-5.