Procédé de commande d’un ensemble de moteurs hydrauliques d’entrainement d’une tête de forage

DOMAINE DE L’INVENTION

L'invention concerne les machines de forage et leur procédé de commande, en particulier la stratégie de pilotage d’engagement et de désengagement des moteurs hydrauliques entraînant une tête de forage d’une telle machine.

Elle s’applique notamment aux tunneliers qui effectuent un forage suivant une direction horizontale ou proche de l’horizontale, et aux machines de forage vertical. Le terme « forage » est pris comme l’action de creuser le sol, quelle que soit la direction et le but de cette action. Dans la suite, on emploie indifféremment les termes « tête de découpe » et « tête de forage ».

ETAT DE LA TECHNIQUE

La nature et la densité des sols qui sont creusés successivement par les tunneliers sont souvent très différentes. La tête de forage doit donc résister à des variations de charge lors de sa rotation et de l’avancement du tunnelier.

Le tunnelier comprend par exemple des moteurs hydrauliques servant à entrainer la tête en rotation autour d’un axe qui est l’axe longitudinal du tunnelier. Y est associée, suivant un cycle de charge approuvé par le manufacturier de tunnelier, une architecture de systèmes de transmission hydrostatique intégrant un certain nombre d’unités de puissance hydraulique formant des pompes hydrauliques alimentant les moteurs en parallèle.

Suivant le mode de pilotage désiré et le cycle de charge rencontré, les moteurs hydrauliques sont engagés ou désengagés toujours de la même façon. Supposons ainsi que les moteurs sont au nombre de neuf. Pour l’obtention d’une certaine vitesse rapide, il peut être prévu d’engager seulement trois des moteurs pour faire tourner la tête (désignons les par M1 , M4 et M7 suivant leur numéro d’ordre dans le cercle formé par les moteurs) et il s’agit toujours des mêmes moteurs. De même, pour l’obtention d’une vitesse moins élevée, six des moteurs sont engagés et il s’agit à nouveau toujours des mêmes (à savoir les moteurs précités ainsi que les moteurs M2, M5 et M8). Enfin, pour l’obtention d’une vitesse encore plus lente, tous les moteurs sont engagés (de M1 à M9). Cette architecture a pour avantage d’être simple à réaliser et à commander. Cependant, compte tenu de ces cycles de fonctionnement préétablis, la durée de vie des moteurs est très hétérogène. C’est ainsi qu’elle est comparativement à titre d’exemple :

- de 5 600 heures pour les moteurs M1 , M4 et M7 ;

- de 9 800 heures pour les moteurs M2, M5 et M8 qui sont moins utilisés, et

- de 25 000 heures pour les moteurs M3, M6 et M9 qui sont encore moins utilisés.

Compte tenu des conditions sévères dans lesquelles est effectué le forage, le système d’entrainement de la tête de forage doit être dimensionné de sorte à maximiser la durée de vie du système et des composants associés. Or l’exemple précité montre qu’on observe une grande différence dans la durée de vie des moteurs de la tête. Il s’ensuit que le tunnelier doit être immobilisé dès que l’un des moteurs est hors service, ce qui arrive plus fréquemment lorsqu’il a atteint ou dépassé sa durée de vie, alors que la plupart des autres moteurs pourraient être encore utilisés. Cette immobilisation engendre un coût et un retard qui sont préjudiciables au projet nécessitant le forage.

Un but de l’invention est donc d’augmenter la durée d’utilisation et la durée de vie des machines de forage.

EXPOSE DE L’INVENTION

À cet effet, on prévoit un procédé de commande d’un ensemble de moteurs hydrauliques d’entrainement d’une tête de forage, chaque moteur comprenant un bloc-cylindres distinct du bloc-cylindres des autres moteurs, procédé dans lequel :

- on entraine la tête à une vitesse de consigne au moyen seulement d’un premier sous-ensemble de moteurs de l’ensemble, puis

- on entraine la tête à la vitesse de consigne au moyen seulement d’un deuxième sous-ensemble de moteurs de l’ensemble, le deuxième sous-ensemble étant différent du premier sous-ensemble.

Ainsi, ce ne sont pas toujours les mêmes moteurs qui font tourner la tête à une vitesse donnée. Il s’agit donc d’engager et de désengager à tour de rôle les moteurs afin de ne pas avoir toujours les mêmes moteurs actifs lors d’une phase de forage ou de reprise de forage. Ce séquencement d’engagements et de désengagements permet d’harmoniser le temps d’utilisation des moteurs et ainsi d’augmenter au global leur durée de vie. L’invention entraine une homogénéisation de la durée de vie des moteurs installés. Elle diminue le risque de défaillance des moteurs en allongeant au global la durée de vie de l’ensemble des moteurs installés. Elle rend possible de réutiliser tous les moteurs sur d’autres tunneliers ou sur un autre système de forage.

De préférence, les premier et deuxième sous-ensembles ont le même nombre de moteurs.

Avantageusement, on entraine la tête à la même vitesse au moyen seulement d’un troisième sous-ensemble de moteurs de l’ensemble, le troisième sous- ensemble étant différent des premier et deuxième sous-ensembles.

Ainsi, si le nombre de moteurs le permet, on répartit davantage encore l’utilisation entre les différents moteurs.

Dans un mode de réalisation, la vitesse étant une première vitesse, le premier sous-ensemble étant un premier sous-ensemble de première vitesse et le deuxième sous-ensemble étant un deuxième sous-ensemble de première vitesse :

- on entraine la tête à une deuxième vitesse au moyen seulement d’un premier sous-ensemble de deuxième vitesse de moteurs de l’ensemble, puis

- on entraine la tête à la deuxième vitesse au moyen seulement d’un deuxième sous-ensemble de deuxième vitesse de moteurs de l’ensemble, le deuxième sous-ensemble de deuxième vitesse étant différent du premier sous-ensemble de deuxième vitesse et des sous-ensembles de première vitesse.

Ainsi l’utilisation en alternance de différents moteurs peut être mise en oeuvre pour différentes vitesses de rotation de la tête. Cela permet aussi de faire varier la cylindrée globale active du système d’entrainement.

On peut prévoir que les premier et deuxième sous-ensembles de deuxième vitesse ont un nombre de moteurs différent des premier et deuxième sous- ensembles de première vitesse.

Dans un mode de réalisation, on entraine la tête à la deuxième vitesse au moyen seulement d’un troisième sous-ensemble de deuxième vitesse de moteurs de l’ensemble, le troisième sous-ensemble de deuxième vitesse étant différent des premiers et deuxième sous-ensembles de deuxième vitesse.

De préférence, les premier et deuxième sous-ensembles ou les premier et deuxième sous-ensembles de deuxième vitesse sont disjoints.

De préférence aussi, dans chacun des premier et deuxième sous-ensembles ou des premier et deuxième sous-ensembles de deuxième vitesse, les moteurs forment une figure possédant une symétrie de révolution.

De même, on peut prévoir que les moteurs ne faisant pas partie de l’un des premier et deuxième sous-ensembles ou des premier et deuxième sous-ensembles de deuxième vitesse forment une figure possédant une symétrie de révolution.

Dans chacun de ces cas, il peut s’agir d’un polygone régulier ou plus généralement d’une figure possédant une symétrie de révolution d’ordre supérieur ou égale à 2, par exemple d’ordre 3. Une symétrie de révolution d’ordre n est une invariance de la figure par une répétition d’angle de 360° /n, n étant un entier naturel. Ces dispositions assurent un équilibrage de la charge sur les moteurs utilisés et sur la tête qui évite que les moteurs soient soumis à des efforts déséquilibrés qui pourraient réduire leur durée de vie.

De manière préférentielle, on peut aussi prévoir plus largement que le procédé s’assure que le déséquilibrage de l’ensemble est en accord avec les limites de charge de la tête.

L’invention pourra présenter au moins l’une des caractéristiques suivantes :

- chacun des premier et deuxième sous-ensembles ou des premier et deuxième sous-ensembles de deuxième vitesse comprend trois moteurs,

- au moins l’un des moteurs appartient à au moins deux des premier, deuxième et troisième sous-ensembles ou des premier et deuxième sous-ensembles de deuxième vitesse, et

- chacun des premier et deuxième sous-ensembles ou des premier et deuxième sous-ensembles de deuxième vitesse comprend six moteurs.

On peut prévoir que :

- on détermine une baisse de couple à fournir à la tête, puis - on met en oeuvre les étapes du procédé de l’invention de façon à réduire un nombre de moteurs entraînant la tête.

De préférence :

- pendant qu’on entraine la tête au moyen de tous les moteurs, on détermine une baisse de couple à fournir à la tête, puis

- on met en oeuvre directement les étapes du procédé de l’invention en combinaison avec l’une des caractéristiques précitées sur la figure possédant une symétrie de révolution.

On se place donc directement dans des configurations équilibrées qui répartissent les sollicitations sur les moteurs et préservent leur durée de vie.

On peut prévoir que :

- pendant qu’on entraine la tête au moyen seulement des moteurs de l’un des sous-ensembles de deuxième vitesse, on détermine une baisse de couple à fournir à la tête, puis

- on met en oeuvre directement les étapes du procédé de l’invention au moyen des sous-ensembles de première vitesse en combinaison avec l’une des caractéristiques précitées sur la figure possédant une symétrie de révolution.

À nouveau, on se place donc directement dans des configurations équilibrées qui répartissent les sollicitations sur les moteurs et préservent leur durée de vie.

Dans des modes de réalisation :

- lorsqu’on détecte la baisse de couple à fournir en présence d’une différence de pression hydraulique constante disponible pour les moteurs, on commande une augmentation d’une vitesse des moteurs entraînant la tête, ou

- lorsqu’on détecte la baisse de couple à fournir et que la vitesse de consigne est constante, on commande une diminution d’un débit de fluide alimentant les moteurs entraînant la tête.

On peut aussi imaginer à couple constant vouloir augmenter la vitesse de rotation de la tête de forage et donc diminuer le nombre de moteurs actifs.

On peut prévoir que :

- on détermine une hausse de couple à fournir à la tête, puis - on met en oeuvre les étapes du procédé de l’invention de façon à augmenter un nombre de moteurs entraînant la tête.

De préférence :

- pendant qu’on entraine la tête au moyen de tous les moteurs, on détermine une hausse de couple à fournir à la tête, puis

- on met en oeuvre directement les étapes du procédé de l’invention en combinaison avec l’une des caractéristiques précitées sur la figure possédant une symétrie de révolution.

On peut prévoir que :

- pendant qu’on entraine la tête au moyen seulement des moteurs de l’un des sous-ensembles de deuxième vitesse, on détermine une hausse de couple à fournir à la tête, puis

- on met en oeuvre directement les étapes du procédé de l’invention au moyen des sous-ensembles de première vitesse en combinaison avec l’une des caractéristiques précitées sur la figure possédant une symétrie de révolution.

Dans des modes de réalisation :

- lorsqu’on détecte la hausse de couple à fournir, on commande une diminution d’une vitesse des moteurs entraînant la tête pour rester à puissance constante ou réduire une puissance à fournir, ou

- lorsqu’on détecte la hausse de couple à fournir et que la vitesse de consigne est constante, on commande une augmentation d’un débit de fluide alimentant les moteurs entraînant la tête.

On peut aussi imaginer à couple constant vouloir diminuer la vitesse de rotation de la tête de forage et donc augmenter le nombre de moteurs actifs.

Avantageusement, on détermine une donnée d’estimation de potentiel d’utilisation d’un des moteurs, notamment à partir d’au moins un des éléments suivants pris en compte depuis un événement prédéterminé tel qu’une mise en route du moteur :

- des efforts subis par le moteur,

- des pressions hydrauliques appliquées au moteur,

- au moins une température d’un environnement du moteur, - au moins une température du moteur ;

- des vibrations appliquées au moteur,

- une durée d’utilisation du moteur,

- un nombre de tours du moteur,

- une puissance fournie par le moteur,

- une énergie consommée par le moteur,

- une perte de puissance du moteur,

- un histogramme pression/vitesse pour le calcul de moyennes pondérées,

- une signature thermique,

- une signature vibratoire,

- un vieillissement de l’huile,

- une puissance vue par le moteur depuis cet événement, et

- une intégration d’une puissance perdue.

La température du moteur peut être obtenue par exemple au moyen d’un capteur physique de température. Elle peut aussi être obtenue par l’utilisation d’un modèle de perte et d’un modèle thermique du moteur permettant de calculer des températures internes du moteur, de sorte que les données sont alors issues d’un capteur virtuel de température. La température du moteur peut être obtenue à la fois d'un capteur physique et d'un capteur virtuel.

La prise en compte de ce potentiel est elle aussi de nature à préserver la durée de vie des moteurs puisqu’il s’agit autant que possible de solliciter les moteurs dont le potentiel est le plus élevé.

De préférence, on constitue au moins l’un des sous-ensembles en choisissant chaque moteur du sous-ensemble en fonction d’une donnée d’estimation de potentiel d’utilisation du moteur.

Avantageusement, on détermine une donnée d’estimation de potentiel d’utilisation d’un des sous-ensembles au moyen d’au moins une donnée d’estimation de potentiel d’utilisation d’au moins un des moteurs du sous- ensemble.

Par exemple, on détermine une donnée d’estimation de potentiel d’utilisation d’un des sous-ensembles comme égale à l’un des éléments suivants : - une plus faible donnée d’estimation de potentiel d’utilisation d’un moteur du sous-ensemble,

- une moyenne des données d’estimation de potentiel d’utilisation des moteurs du sous-ensemble, et

- une valeur calculée à partir d’au moins une des données d’estimation de potentiel d’utilisation des moteurs du sous-ensemble et d’au moins une autre donnée.

On peut prévoir de choisir un des sous-ensembles ou des moteurs à utiliser pour entrainer la tête en fonction d’une donnée d’estimation de potentiel d’utilisation du sous-ensemble ou du moteur.

Dans un mode de réalisation, les moyens de commande utilisent une table de données d’estimation de potentiel d’utilisation des moteurs et/ou des sous- ensembles.

On peut prévoir que les moyens de commande mettent à jour la table après un arrêt d’une machine portant la tête et/ou après une durée prédéterminée.

On prévoit également selon l’invention une machine de forage comprenant :

- une tête de forage,

- un ensemble de moteurs hydrauliques configurés pour entrainer en rotation la tête de forage, chaque moteur comprenant un bloc-cylindres distinct du bloc- cylindres des autres moteurs, et

- des moyens apte à commander la mise en oeuvre d’un procédé selon l’invention.

Avantageusement, la machine comprend pour au moins l’un des moteurs une valve configurée pour commander indépendamment des autres moteurs un engagement du moteur de sorte qu’il entraine la tête et un désengagement du moteur de sorte qu’il n’entraine pas la tête.

On peut prévoir qu’au moins l’un des moteurs a une cylindrée fixe, un nombre prédéterminé de sous-cylindrées ou une cylindrée continûment variable.

On peut prévoir qu’au moins deux des moteurs ont des cylindrées totales différentes. Dans un mode de réalisation, chaque moteur comprend des pistons radiaux et une came multilobes.

Les moteurs hydrauliques sont tous en prise via un pignon avec une couronne interne dentée permettant de faire tourner la tête de forage.

Dans un mode de réalisation, au moins un des moteurs hydrauliques entraine directement le pignon, c’est-à-dire que le pignon tourne à la vitesse du bloc cylindre du moteur hydraulique.

D’une manière alternative, on peut prévoir qu’au moins un réducteur est disposé entre un pignon et le moteur qui lui est associé, c’est-à-dire que le pignon tourne moins vite que le bloc-cylindre du moteur hydraulique.

De préférence, la machine comprend un circuit en boucle fermée pour l’alimentation de chaque moteur en fluide sous pression.

Avantageusement, la machine comprend au moins un capteur de mesure d’un paramètre.

La machine peut former un tunnelier ou une machine de forage vertical.

On prévoit enfin selon l’invention un programme comprenant des instructions de code aptes à commander la mise en oeuvre des étapes du procédé selon l’invention lorsqu’il est exécuté sur des moyens automatisés.

DESCRIPTION DES FIGURES

Nous allons maintenant présenter deux modes de réalisation de l'invention à titre d'exemples non-limitatifs à l'appui des dessins sur lesquels :

- la figure 1 est une vue en perspective d’une partie d’un tunnelier selon un mode de réalisation de l’invention ;

- la figure 2 est une vue en coupe d’un des moteurs du tunnelier ;

- la figure 3 est une vue en section verticale du tunnelier de la figure 1 montrant la disposition des moteurs entraînant la tête ;

- les figures 4 à 6 sont des vues analogues à la figure 3 montrant trois configurations d’engagement des moteurs ; - la figure 7 est un organigramme illustrant une partie du procédé de l’invention ;

- les figures 8 à 10 sont des diagrammes illustrant des modalités de commande du tunnelier ;

- les figures 11 à 15 sont des schémas de l’architecture du circuit hydraulique du tunnelier ;

- les figures 16 et 17 sont des vues en perspective et en coupe transversale d’une tête de découpe d’une machine de forage vertical selon un deuxième mode de réalisation de l’invention ;

- la figure 18 montre un exemple de disposition des moteurs dans une variante de mise en oeuvre de l’invention.

I - Premier mode de réalisation

Nous allons décrire en référence aux figures 1 à 15 un premier mode de réalisation de la machine selon l’invention formant un tunnelier 100. Il s’agit donc d’une machine de forage présentant un axe de forage horizontal X-X.

A - Machine

La machine 100 a une forme générale à symétrie de révolution autour de l’axe X-X. Elle comprend une tête de forage ou de découpe 2 montée mobile à rotation autour de l’axe X-X par rapport à un corps cylindrique 4 de la machine. La tête a une forme générale de disque et est munie sur sa face externe frontale d’organes de découpe 6 permettant d’entamer le matériau, roche ou sous-sol, contre lequel la tête est en appui lors du forage.

La machine est équipée d’un ensemble de moteurs hydrauliques 8 configurés pour entrainer en rotation la tête de forage 2 par rapport au corps 4. En l’espèce, chaque moteur 8 est à cylindrée fixe. Il s’agit par exemple d’un moteur tel que celui décrit dans le document FR-3 094 425 au nom de la demanderesse.

Chacun des moteurs 8 comprend dans le présent exemple et comme illustré à la figure 2 des pistons radiaux 9 et une came multilobes 11. Plus précisément, chaque moteur comporte :

- un bloc-cylindres 13, dont chaque cylindre comporte une chambre dans laquelle coulisse un piston 9 ; - une came 11 , sur laquelle chacun des pistons 9 peut exercer une pression pour engendrer un couple, la came comportant au moins deux lobes, chaque lobe comportant une rampe montante et une rampe descendante, le bloc-cylindres 13 étant monté à rotation relative par rapport à la came 11 ;

- au moins deux conduits principaux, par lesquels le moteur peut recevoir ou envoyer du fluide ;

- un distributeur de fluide non-illustré pour distribuer le fluide depuis les conduits principaux jusqu'aux cylindres, comportant pour chaque cylindre, une valve de distribution apte à relier la chambre du cylindre avec l'un ou l'autre des conduits principaux pour permettre l'entrée ou la sortie de fluide dans la chambre ; et

- un système de commande comprenant un capteur de position angulaire relative de la came par rapport au bloc-cylindres, pour la commande des valves de distribution.

Le bloc-cylindres 13 est propre à chaque moteur 8, chaque moteur ayant ainsi un bloc-cylindres distinct de celui des autres moteurs. Les valves de distribution, prévues pour chacun des cylindres, permettent un contrôle à chaque instant, cylindre par cylindre, de la distribution de fluide dans les cylindres.

Comme illustré aux figures 1 et 3, les moteurs 8 sont disposés suivant un cercle unique centré sur l’axe X-X et sont tous en prise via un pignon du moteur avec une couronne interne dentée 10 solidaire de la tête 2 de sorte que chaque moteur peut faire tourner la tête. On est en présence d’une transmission hydrostatique directe à plusieurs moteurs hydrauliques avec pignons montés directement en prise avec la couronne dentée entraînant le bouclier de forage. Chaque moteur hydraulique 8 entraine directement le pignon qui lui est associé, c’est-à-dire que le pignon tourne à la vitesse du bloc-cylindre 13 du moteur hydraulique 8.

Mis à part pour les aspects qui seront décrits dans la suite, le tunnelier 100 et les moteurs 8 sont d’un type connu en eux-mêmes et ne seront pas davantage détaillés.

Le tunnelier 100 comprend aussi des moyens automatisés 64 aptes à commander la mise en oeuvre du procédé selon l’invention qui sera décrit dans la suite. Les moteurs sont au nombre de neuf dans le présent mode de réalisation. Naturellement, ce nombre pourrait varier et être égal par exemple à A, 6, 8, 12, 16, etc. On numérote les moteurs par commodité comme indiqué aux figure 3 à 6 dans le sens horaire en partant du moteur situé le plus en haut, de M1 à M9. B - Stratégie de pilotage

On a illustré sur le tableau 1 une première stratégie de pilotage des moteurs 8 formant un mode de mise en oeuvre du procédé de l’invention.

Tableau 1

La première colonne du tableau indique un numéro de cas d’utilisation. Les deuxième et troisième colonnes indiquent la pression d’entrée Pe et la pression de sortie Ps du moteur M1. Ces colonnes permettent notamment d’identifier les moments où le moteur M1 est soit actif et génère du couple grâce à une différence de pression entrée-sortie soit inactif et en roue libre. De telles colonnes pourraient être répétées pour chacun des moteurs M2 à M9, pour identifier lesquels sont actifs ou inactifs mais cela n’apporte pas d’intérêt particulier pour la compréhension.

V indique la vitesse de rotation de la couronne. Il s’agit en tours par minutes de la vitesse de consigne pour la rotation de la tête de forage. Quatre vitesses de consigne sont prévues, respectivement de 3, 1.8, 1.4 et 0.1 tours par minute.

La sixième colonne indique la configuration C choisie pour les moteurs. Il s’agit des moteurs qui sont engagés avec la tête de telle sorte qu’ils l’entrainent en rotation à eux seuls. Les autres sont désengagés hydrauliquement et ne l’entrainent pas : pas de génération de couple. Tous les moteurs restent cependant liés mécaniquement à la couronne, les moteurs dits inactifs étant en roue libre. Leur pignon engrène avec la couronne du tunnelier et tourne avec celle-ci.

On pourrait en variante prévoir que les moteurs inactifs sont en outre désengagés mécaniquement d’avec la couronne.

Une autre variante consisterait à désactiver les moteurs par un désaccouplement mécanique de ces derniers par exemple par l’intermédiaire d’un embrayage entre l’arbre de sortie du moteur hydraulique et le pignon lui permettant d’engrener la roue.

Trois configurations (numérotées de 1 à 3) sont possibles pour la vitesse la plus rapide (3 tours/min). La configuration 7C-À utilise seulement les moteurs M1 , M4 et M7. Les deux autres 7C-B et 7C-C utilisent respectivement seulement les moteurs M2, M5 et M8 et M3, M6 et M9. Ces trois configurations sont illustrées respectivement aux figures 4 à 6.

La durée d’utilisation T en minutes de chaque configuration est indiquée en colonne 4. Elle est ici de 10 minutes pour chacune. Ainsi, en faisant tourner la tête à la première vitesse de consigne, on utilise d’abord pendant 10 minutes la configuration 7C-A, puis la configuration 7C-B pendant la même durée et enfin la configuration 7C-C pendant la même durée. Bien entendu, les durées d’utilisation pourraient être autres que 10 minutes. Il est également possible que les configurations ne soient pas utilisées pendant la même durée mais cette égalité est préférable car elle favorise une égale sollicitation des moteurs. Ainsi, dans ce procédé :

- on entraine la tête 2 à une vitesse de consigne au moyen seulement d’un premier sous-ensemble M1 , M4 et M7 de moteurs 8, puis

- on l’entraine à la même vitesse au moyen seulement d’un deuxième sous- ensemble M2, M5 et M8 différent du premier, puis

- on l’entraine à la même vitesse au moyen seulement d’un troisième sous- ensemble M3, M6 et M9 différent des premier et deuxième sous-ensembles.

On voit que les trois sous-ensembles ont le même nombre de moteurs, trois en l’espèce et sont disjoints, c’est-à-dire n’ont pas de moteur en commun deux à deux. Autrement dit, chaque moteur M1 à M9 appartient à un seul de ces trois sous-ensembles. De plus, dans chacun des sous-ensembles, les moteurs 8 forment un polygone régulier centré sur l’axe X-X, à savoir ici un triangle équilatéral, ce qui favorise l’équilibrage des contraintes sur les moteurs.

Trois configurations (numéros 4 à 6) sont également possibles pour la vitesse suivante (1.8 tours/min) qui est inférieure à la première. La configuration 4C-A utilise seulement les moteurs M1 , M2, M4, M5 et M7, M8. Les deux autres 4C-B et 4C-C utilisent seulement respectivement les moteurs :

- M2, M3, M5, M6, M8 et M9 et

- M1 , M3, M4, M6, M7 et M9.

La durée d’utilisation est ici de 21.33 minutes pour chaque configuration et le fonctionnement est similaire à celui de la première vitesse.

Nous désignons le premier sous-ensemble comme un premier sous-ensemble de première vitesse (7C-A) et le deuxième sous-ensemble comme un deuxième sous- ensemble de première vitesse (7C-B). On voit donc que cette fois :

- on entraine la tête à la deuxième vitesse au moyen seulement d’un premier sous-ensemble de deuxième vitesse (4C-A) M1 , M2, M4, M5 et M7, M8, puis

- on l’entraine à la même vitesse au moyen seulement d’un deuxième sous- ensemble de deuxième vitesse (4C-B) M2, M3, M5, M6, M8 et M9, puis

. on l’entraine à la même vitesse au moyen seulement d’un troisième sous- ensemble de deuxième vitesse (4C-C) M1 , M3, M4, M6, M7 et M9. Les premier, deuxième et troisième sous-ensembles de deuxième vitesse (les 4C) sont différents les uns des autres et différents des premier, deuxième et troisième sous-ensembles de première vitesse (les 7C). Ils ont chacun un nombre de moteurs, à savoir six, différent de celui des sous-ensembles de première vitesse qui est de trois. Mais ils ne sont plus disjoints car chaque moteur 8 appartient à deux des sous-ensembles de deuxième vitesse.

Enfin, les lignes 7 et 8 montrent que, pour les deux autres vitesses, encore inférieures, tous les moteurs M1 -M9 sont engagés simultanément.

Les cylindrées mises en oeuvre sont récapitulées dans le tableau 2 suivant : Tableau 2

On voit donc que, pour les première et deuxième vitesses, ce sont trois sous- ensembles de moteurs qui entraînent la tête en alternance. Cela permet de solliciter tous les moteurs de façon égale et de ne pas réduire la durée de vie de certains par rapport aux autres. Il y a donc un roulement dans l’utilisation des moteurs. On voit en particulier que tous les moteurs sont utilisés pour toutes les vitesses proposées.

Dans les mêmes conditions d’utilisation que celles des durées de vie données plus haut, on obtient cette fois pour chacun des moteurs M1 -M9 une durée de vie de 10 500 h. Chacun des moteurs 2 est désengagé pendant 41% du temps et engagé durant 59% du temps.

Une variante de cette stratégie consiste à prévoir sous chaque ligne du tableau 1 une ligne supplémentaire dans laquelle tous les moteurs sont désengagés de sorte que la tête est immobilisée. Cette situation permet l’installation de voussoirs dans la cavité percée par le tunnelier, avant la poursuite du forage. La durée associée à chacune de ces nouvelles lignes est de 22 minutes pour la première vitesse, de 46.93 minutes pour la deuxième et de 11 et 2.20 pour les deux dernières vitesses. Cette fois, on obtient pour chacun des moteurs M1 -M9 une durée de vie de 25 000 h. Les moteurs sont chacun utilisés sous pression pendant 18% du temps, en roue- libre durant 13% du temps et à l’arrêt pendant 69% du temps.

L’utilisation des sous-ensembles correspondant à chaque vitesse est ici répartie suivant des durées égales. Mais on pourrait prévoir de les répartir différemment, par exemple suivant un niveau de pression hydraulique moyen sur une certaine période. Ce qui compte alors n’est pas la durée d’utilisation égale des sous- ensembles mais un niveau de pression moyen égal rapporté à la durée d’application de la pression au moteur. On pourrait aussi considérer d’utiliser pour une même vitesse de consigne le premier sous-ensemble lors d’une première phase de forage, puis le deuxième lors d’une deuxième phase et ainsi de suite. La stratégie d’utilisation des sous-ensembles peut aussi prendre en compte des données d’estimation de potentiel d’utilisation comme on le verra plus loin.

C - Séquençage

Cette commande des moteurs aux différentes vitesses peut être mise à profit pour un séquençage de l’utilisation des vitesses et des sous-ensembles comme nous allons le montrer maintenant.

La figure 8 représente l’évolution du couple appliqué à la tête de forage en fonction de la vitesse de cette dernière, en présence d’une différence de pression hydraulique constante appliquée aux moteurs. La courbe allant du point À au point H est une courbe à isopuissance. On voit que les moteurs sont au départ tous engagés pour faire tourner la tête au point À, avec un couple élevé et une vitesse réduite. Lorsqu’on détecte que la tête de forage découpe dans un terrain moins dur que précédemment, le couple à fournir est moins élevé. On le détecte par une baisse de pression aux bornes des moteurs grâce aux manomètres du circuit. Dans ce cas de suivi de la courbe d’iso puissance, pour une baisse de couple, la vitesse de rotation de la tête de forage augmente. Cette augmentation de vitesse est engendrée par l’augmentation du débit circulant dans les moteurs. Lorsqu’on arrive au point B, on peut décider de désengager l’un des moteurs pour se limiter à huit moteurs engagés avec la tête et ainsi de suite jusqu’à trois moteurs au point H. Ce désengagement permet d’augmenter la vitesse de rotation de la tête lorsque le couple nécessaire se réduit. Comme le désengagement des moteurs se fait un à un, on ne s’occupe pas ici de l’équilibrage des efforts.

Chaque fois que le nombre de moteurs nécessaires pour faire tourner la tête est inférieur au nombre total de moteur, on peut mettre en oeuvre le procédé et utiliser des sous-ensembles de moteurs différents à une même vitesse de rotation. C’est possible à partir de huit moteurs.

On peut ainsi faire tourner la machine en mode déséquilibré, par exemple avec 8 moteurs actifs sur 9 (ou encore 7 ou 5) pourvu qu’un roulement ait lieu pour que le groupe de moteurs utilisé ne soit pas toujours le même. Ainsi en utilisant le procédé ci-dessus, à chaque mise en route, le groupe utilisé changera et l’usure se répartira.

La figure 9 illustre un mode plus avantageux de mise en oeuvre du procédé car cette fois il préserve l’équilibrage. En effet, on procède comme dans le mode de mise en oeuvre de la figure 8 mais cette fois on ne désengage aucun moteur depuis le point A tant qu’on n’est pas arrivé au point D. A ce stade, si le couple à fournir descend au-dessous d’un seuil prédéterminé rendant possible de se limiter à l’un des sous-ensembles de deuxième vitesse (six moteurs), on procède ainsi en désengagent trois des neuf moteurs. La tête est alors entraînée par les trois sous- ensembles de deuxième vitesse en alternance. De même, si arrivé au point G la réduction du couple à fournir se poursuit, on limite les moteurs entraînant la tête à trois et la tête est alors entraînée par les trois sous-ensembles de première vitesse en alternance. Ainsi, lorsqu’on détecte la baisse de couple à fournir en partant d’une situation dans laquelle seuls les moteurs de l’un des sous-ensembles de deuxième vitesse entraînent la tête, on réduit un nombre de moteurs entraînant la tête à l’un des sous-ensembles de première vitesse. La réduction de couple peut ensuite si besoin suivre la trajectoire du point G au point H.

Un autre mode de mise en oeuvre avantageux est illustré à la figure 10. Cette fois, on privilégie une vitesse de rotation constante de la tête en présence d’une réduction du couple à fournir. Le suivi des points de fonctionnement à isovitesse forme donc une trajectoire verticale sur le diagramme. La réduction de couple est due à la composition du sol qui devient de plus en plus tendre. On démarre comme précédemment au point À’ avec tous les moteurs engagés pour faire tourner la tête avec un couple élevé. Comme la configuration du sol produit une réduction de couple, la différence de pression se réduit également pour passer au point B’ puis au point C’. À ce stade, si le couple nécessaire baisse encore, on peut désengager trois des moteurs et utiliser en alternance les sous-ensembles de deuxième vitesse. Les moyens de commande 64 adaptent alors aussi la vitesse de rotation des pompes et/ou changent leur cylindrée compte tenu de la désactivation de trois moteurs. Arrivé au point D’, on peut ensuite si besoin désengager trois autres des moteurs et utiliser en alternance les sous-ensembles de première vitesse et adapter encore l’utilisation des pompes. Ce mode de mise en oeuvre préserve lui aussi l’équilibrage.

Ces modes de mise en oeuvre sont applicables de la même façon en sens inverse lorsque le couple à fournir augmente. C’est en fait la géologie du terrain à forer qui impose un besoin de couple plus ou moins important pour que le tunnelier avance. Les points de fonctionnement (couple-vitesse) étant variables à tout instant, le système peut évoluer dans tous les points situés sous la courbe enveloppe d’iso puissance et en fonction des besoins pourra activer ou désactiver des moteurs.

On peut effectuer le désengagement d’un des moteurs 8 de différentes façons en fonction du type du moteur et de l’architecture du circuit. Il peut s’agir d’un désengagement de type « roue libre par pression », c’est-à-dire que les pistons 9 du moteur hydraulique rentrent dans leur logement du bloc-cylindres 13 pour ne plus être en contact avec la came 11. Cela se fait par l’établissement d’une pression ou d’un débit dans le carter du moteur. Alternativement, le mode en roue-libre peut être obtenu par une rétractation mécanique des pistons 9 dans le bloc-cylindres 13 par des ressorts de rappel. Alternativement encore, le désengagement des moteurs 8 se fait par dérivation c’est-à-dire que les pistons 9 restent contact avec la came 11 et les pressions d'alimentation et de retour du moteur sont mises à égalité (à la pression de gavage le plus souvent). Ce mode de désengagement créé une perte de puissance plus importante que le premier.

D - Données d’estimation

On peut aussi affiner le procédé au moyen de la prise en compte de données d’estimation de potentiel d’utilisation.

A cette fin, on affecte à chaque moteur 8 une donnée d’estimation de potentiel d’utilisation du moteur. Par exemple, on détermine une telle donnée à partir d’au moins un des éléments suivants pris en compte depuis un événement prédéterminé tel qu’une mise en route initiale du moteur :

- des efforts subis par le moteur,

- des pressions hydrauliques appliquées au moteur,

- au moins une température d’un environnement du moteur,

- au moins une température du moteur,

- des vibrations appliquées au moteur,

- une durée d’utilisation du moteur,

- un nombre de tours du moteur,

- une puissance fournie par le moteur,

- une énergie consommée par le moteur, et

- une perte de puissance du moteur.

La donnée d’estimation peut être par exemple sa durée de vie restante calculée à partir d’une table d’historique :

- des efforts cumulés qu’il a subis depuis sa mise en route,

- du temps effectif d’activation depuis sa mise en route, et/ou

- du nombre de tours qu’il a effectués depuis sa mise en route.

Sur cette base, on peut, par exemple constituer chacun des sous-ensembles en choisissant chaque moteur 8 du sous-ensemble en fonction de la donnée d’estimation associée. Ensuite, on détermine une donnée d’estimation de potentiel d’utilisation de chaque sous-ensemble au moyen d’au moins une donnée d’estimation de potentiel d’utilisation d’au moins un des moteurs du sous-ensemble. Différentes possibilités existent à cette fin. En effet, on peut déterminer cette donnée du sous-ensembles comme égale à l’un des éléments suivants :

- une plus faible donnée d’estimation de potentiel d’utilisation d’un moteur du sous-ensemble (il s’agit en quelque sorte du moteur formant le maillon faible du sous-ensemble),

- une moyenne de ces données des moteurs du sous-ensemble, et

- une valeur calculée à partir d’au moins une de ces données des moteurs du sous-ensemble et d’au moins une autre donnée (par exemple des données captées les plus récentes).

La donnée d’estimation peut être établie sur la base des paramètres intrinsèques du ou des moteurs ou du ou des sous-ensembles, des données captées, et de l’historique du ou des moteurs ou du sous-ensemble. Elle représente une capacité d’utilisation restante, par exemple un nombre d’heures avant une maintenance.

Ensuite, si besoin, on choisit un des sous-ensembles à utiliser pour entrainer la tête par exemple en priorité en fonction de la donnée d’estimation de potentiel d’utilisation du sous-ensemble. Pour cela, dans le présent exemple, les moyens de commande 64 du tunnelier établissent une table de données d’estimation de potentiel d’utilisation des moteurs et des sous-ensembles. Ils mettent à jour la table après un arrêt du tunnelier ou encore après une durée prédéterminée, par exemple en temps réel.

Cette façon de procéder permet de prendre en compte l’historique des moteurs et des sous-ensembles. Le processus mis en oeuvre à cette fin est illustré à la figure 7. Lors de la mise en oeuvre du procédé, c’est-à-dire durant le fonctionnement 12 du tunnelier, les moyens de commande 64 calculent des paramètres et les évaluent à partir des données mesurées par différents capteurs et en fonction des paramètres de consigne (étape 14).

Ils examinent (étape 16) si un des paramètres se trouve en dehors d’un intervalle prédéterminé, par exemple un intervalle d’utilisation recommandé. L’un de ces paramètres peut être une donnée d’estimation de potentiel d’utilisation d’un moteur ou d’un sous-ensemble.

Dans la négative, une nouvelle évaluation des paramètres a lieu à l’étape 14.

Dans l’affirmative, les moyens de commande déterminent à l’étape 18 une nouvelle configuration d’utilisation des moteurs pour entrainer la tête. Il peut s’agir de modifier le nombre de moteur ou, à nombre de moteur constant, de modifier le choix du sous-ensemble utilisé ou encore la constitution de l’un des sous-ensembles parce qu’un des moteurs ou un des sous-ensembles initialement choisi a un potentiel d’utilisation réduit par rapport aux autres.

Il s’ensuit à l’étape 20 l’activation ou la désactivation d’un ou plusieurs moteurs pour adopter la configuration retenue.

Puis l’évaluation reprend à l’étape 14.

Plus généralement, différentes approches sont possibles. La prise en compte des données d’estimation implique donc de ne pas toujours donner priorité à l’équilibrage des efforts lors du choix des moteurs en engagement.

E - Architecture

Le circuit hydraulique dont font partie les moteurs 8 est très proche des circuits déjà connus pour de tels moteurs dans un tunnelier. Il a été illustré aux figures 11 à 15 et nous ne le décrirons que dans ses grandes lignes. Les figures 11 et 12 illustrent l’ensemble du circuit de façon simplifiée et détaillée respectivement. Les figures 13 et 14 présentent des portions du circuit.

Le circuit comprend des moteurs électriques 20, ici au nombre de sept, actionnant des pompes respectives 22. Ces dernières alimentent en fluide sous pression les moteurs hydrauliques 8. Pour cela, toutes les pompes ont un conduit haute-pression qui alimente un concentrateur haute pression 24 commun à toutes les pompes. Des conduits d’alimentation partent de ce dernier vers les moteurs hydrauliques respectifs 8. De même, des conduits de retour partent de ces moteurs vers un concentrateur basse pression 26 commun aux moteurs, qui alimente à son tour en fluide basse pression toutes les pompes 22. Enfin, de la même façon, toutes les pompes de gavage sont reliées par une ligne de gavage à un même concentrateur de gavage 28 lui-même relié à chacun des moteurs hydrauliques 8.

La zone comprenant un moteur électrique 20 et une pompe principale 22 a été illustrée plus en détail à la figure 13. Le moteur électrique 20 est relié par un accouplement mécanique à la pompe principale 22 et via celle-ci à une pompe de gavage 30 alimentant la ligne de gavage 32. La pompe de gavage 30 est reliée à un réservoir de fluide 34 à pression ambiante. La pompe principale 22 est relié aux bornes de la boucle fermée. Un limiteur de pression 36 relie la sortie de la pompe de gavage 30 au réservoir 34. Un clapet de gavage 38 est interposé entre le conduit haute pression 40 et la sortie de la pompe de gavage 30. Un autre clapet de gavage 38 est interposé entre le conduit basse pression 42 et la sortie de la pompe de gavage. De même, un limiteur de pression 44 est interposé entre le conduit haute pression 40 et la sortie de la pompe de gavage. Un autre limiteur de pression 44 est interposé entre le conduit basse pression 42 et la sortie de la pompe de gavage.

Une valve d’échange 46 à trois voies et trois positions relie en parallèle chacun des conduits haute pression 40 et basse pression 42 au réservoir 34 par l’intermédiaire d’un limiteur de pression 48 situé entre la valve et le réservoir. Cette valve permet de décharger du fluide de l’un de ces conduits vers le réservoir si besoin. Elle est normalement fermée. Des capteurs de pression ou manomètres 50 sont prévus respectivement sur le conduit haute pression 40 et sur le conduit de retour 42. Ces capteurs sont reliés aux moyens de commande 64.

La partie du circuit comprenant un des moteurs hydrauliques 8 est illustrée à la figure 14. Les conduits haute pression 40 et basse pression 42 sont reliés au moteur 8. Un limiteur de pression 52 est interposé entre le conduit haute pression 40 et le conduit de gavage 32. Un autre limiteur de pression 52 est interposé entre le conduit basse pression 42 et le conduit de gavage 32. Un clapet de gavage 54 est interposé entre le conduit haute pression 40 et le conduit de gavage 32. Un autre clapet de gavage 54 est interposé entre le conduit basse pression 42 et le conduit de gavage 32.

Une valve d’engagement et de désengagement 56 est interposée sur les conduits haute et basse pression aux bornes du moteur (Tous les moteurs 8 sont associés à une telle valve, bien que cela ne soit pas visible sur la figure 12.) Il s’agit d’une valve à cinq voies et deux positions. En position de désengagement, qui est celle de la figure 14, l’entrée du moteur 8 en fluide à haute pression et sa sortie en fluide à basse pression sont isolées des conduits haute et basse pression. En position d’engagement, elles communiquent avec ces conduits respectifs. En position de désengagement, le moteur est donc inactif et ne peut pas entrainer la tête 2 en rotation. En position d’engagement, il est actif et il le peut. La liaison mécanique avec la tête est illustrée par la ligne 58. Cette valve 56 est donc configurée pour commander indépendamment des autres moteurs un engagement du moteur 8 de sorte qu’il entraine la tête et son désengagement de sorte qu’il n’entraine pas la tête. On est ici en présence d’un circuit en boucle fermée pour l’alimentation de chaque moteur en fluide sous pression.

La figure 15 illustre de façon synthétique le circuit de commande du tunnelier. L’opérateur ou pilote 60 transmet ses instructions aux moyens de commande automatisés principaux du tunnelier 62 qui communiquent à cette fin avec les moyens de commande automatisés 64 des moteurs 8. Ces moyens 64 commandent les pompes principales 22 et leurs moteurs électriques 20 ainsi que les valves d’engagement et de désengagement 56 des moteurs hydrauliques 8. Ils reçoivent aussi les données collectées par les capteurs de pression 50 voire par d’autres capteurs si besoin (capteur d’efforts subis par les moteurs 8, capteurs de température des moteurs 8, etc.). Ils reçoivent aussi les informations de vitesse des moteurs 8. Les moyens 64 comprennent un programme comprenant des instructions de code aptes à commander la mise en oeuvre des étapes du procédé selon l’invention lorsqu’il est exécuté sur ces moyens.

Il - Deuxième mode de réalisation

On a ici illustré aux figures 16 et 17 une machine de forage vertical formant un deuxième mode de réalisation de l’invention.

Il s’agit ici d’une foreuse 200 comprenant un arbre vertical 66 d’axe X-X portant une tête de découpe non illustrée. Les moteurs 8 sont montés sur un bâti 15 comprenant une couronne 10 rigidement solidaire de l’arbre 66 en rotation. Les moteurs entraînent la couronne en rotation au moyen d’un pignon de sortie 68. Ils sont par exemple ici au nombre de quatre. Sur ce genre d’application, le nombre de moteurs pour faire tourner la couronne est généralement inférieur à celui des tunneliers.

Le procédé décrit pour le premier mode est encore applicable. On vise ainsi à nouveau à préserver l’équilibrage en gardant une certaine symétrie. Néanmoins on peut envisager d’autres exemples de configuration. Le procédé de commande est mis en oeuvre par exemple conformément au tableau 3 ci-après.

Tableau 3

Ainsi, avec une cylindrée de 100%, les quatre moteurs 8 M1 -M4 entraînent la tête de forage 2. Lorsqu’une cylindrée de 50% est requise, à plus grande vitesse donc, la tête est entraînée par les seuls moteurs M1 et M3 durant une période prédéterminée, puis par les seuls moteurs M2 et M4 durant une période suivante. Les sous-ensembles de deux moteurs sont équilibrés géométriquement puisque les deux moteurs engagés sont à chaque fois diamétralement opposés l’un à l’autre de part et d’autre de l’axe X-X. Mais on pourrait faire un entrainement avec trois moteurs et commuter régulièrement entre plusieurs sous-ensembles de trois moteurs (jusqu’à quatre sous-ensembles) en fonction des données d’estimation. De même, on pourrait n’activer qu’un seul moteur et commuter régulièrement entre les moteurs. Les configurations à un ou trois moteurs ne sont pas équilibrés géométriquement sur la couronne. Les autres caractéristiques de l’invention sont inchangées.

On pourra apporter à l’invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle-ci. On pourra prévoir qu’au moins deux des moteurs hydrauliques 8, voire tous, ont des cylindrées totales différentes. On pourrait prévoir que l’un au moins des moteurs hydrauliques 8, voire plusieurs ou tous, a un nombre prédéterminé de sous-cylindrées qui sont chacune fixes, le moteur étant formé de sous-moteurs élémentaires comme décrit par exemple dans le document WO 2010056743. Il s’agit d’un moteur à pistons radiaux et came multilobes. On peut aussi prévoir que l’un au moins des moteurs hydrauliques 8, voire plusieurs ou tous, a une cylindrée continûment variable. On peut prévoir un réducteur entre le pignon de chaque moteur et la couronne du tunnelier.

La figure 18 montre un exemple de disposition des moteurs 8 qui forment une figure possédant une symétrie de révolution d’ordre 3 en l’espèce et qui n’est pas un polygone régulier. Il y a ici six moteurs groupés par deux, les moteurs de chaque paires sont espacés d’un angle de 15° . Les paires sont espacées d’un angle de 105° . D’autres valeurs d’angle sont possibles. Il s’agit d’un exemple de disposition pour un sous-ensemble comprenant six moteurs.

L'invention n'est pas limitée au forage. Elle est applicable aussi à des moteurs hydrauliques actionnant une tourelle de pelleteuse ou de grue, par exemple une grue portuaire. Dans ces deux cas, les moteurs peuvent actionner une couronne comme dans l'invention.