Lors de la transmission d'énergie à travers un fluide, la direction doit être déterminée et un contrôle total continu doit être maintenu. En l'absence d'un contrôle complet, l'énergie est inutilisable ou, pire encore, la machine pourrait être endommagée. L’un des principaux avantages de la technologie hydraulique réside dans la capacité d’utiliser des valves de commande hydraulique pour contrôler relativement facilement l’énergie.

Vannes de contrôle hydrauliques

Une valve de commande hydraulique est un composant mécanique constitué d’un corps de valve doté de passages internes pouvant établir ou bloquer l’écoulement du fluide, ainsi que de pièces mobiles internes. Les passages intégrés au boîtier servent à acheminer l’huile. Le mouvement des pièces mobiles internes régule la pression maximale, la direction de l’écoulement et le débit du système.

Contrôle de la pression du système

L'énergie hydraulique peut être appliquée à un vérin hydraulique. Lorsque le travail obtenu est réussi, une fois que le vérin est complètement sorti, le travail est accompli. La pompe à déplacement positif continuera d'absorber davantage d'énergie de son moteur d'entraînement. Cela crée une pression plus élevée dans l'huile. (Remarque : la résistance minimale du système détermine la pression hydraulique appliquée.) À mesure que le vérin se développe davantage, la résistance mécanique du système devient la résistance minimale.

La pompe ajoutera davantage de pression pour vaincre cette résistance. Les utilisateurs emploient des vannes de régulation de pression afin de maintenir la pression du système dans une plage sûre.

Vanne de contrôle de pression

Les pièces mobiles internes d'une vanne de régulation de pression fonctionnent en fonction de la pression. Lorsque la pression du système atteint une valeur prédéfinie, les pièces mobiles internes établissent ou interrompent le passage dans l'un des orifices du corps de la vanne, ce qui permet ou empêche l'écoulement de l'huile vers ce passage.

Construction d'une vanne de régulation de pression

Une vanne de régulation de pression se compose d'un corps de vanne comportant des passages primaire et secondaire ainsi que des pièces mobiles internes (le tiroir). Les raccordements externes aux passages sont appelés respectivement orifice primaire et orifice secondaire.

Fonctionnement d'une vanne de régulation de pression

La pièce mobile interne d'une vanne de régulation de pression est généralement un dispositif de type tiroir. Lorsque le tiroir occupe une position extrême, le passage interne est ouvert et le fluide peut circuler. Lorsqu'il occupe l'autre position extrême, le passage interne est bloqué et l'écoulement à travers la vanne est interrompu.

Dans une vanne de régulation de pression, le tiroir est maintenu par ressort dans l'une des positions extrêmes. Dans cette position normale fermée, le passage interne est bloqué et la voie d'écoulement à travers la vanne est fermée. Ce type est appelé vanne de régulation de pression normalement fermée.

La vanne de régulation de pression détecte la pression à la base du tiroir. Ce passage inférieur est relié au port primaire. Lorsque la pression du système augmente au-delà de la force du ressort, le tiroir se déplace pour connecter le passage interne, permettant ainsi le débit à travers la vanne.

(La pression hydraulique utilisée pour commander le déplacement du tiroir est appelée pression pilote. L'utilisation de la pression pilote pour commander une vanne est désignée sous le nom de commande pilote et constitue la méthode la plus courante pour commander tous les types de vannes hydrauliques.)

Si, dans ce type de vanne de régulation de pression, le port primaire est relié au côté haute pression du système, et lorsque la pression fournie par la pompe devient trop élevée, le débit provenant de la pompe peut être dévié à travers cette vanne vers le réservoir d'huile — ce type de vanne de régulation de pression normalement fermée est appelé vanne de sécurité.

Figure 7-2 : Vanne de régulation de pression normalement fermée (fonctionnement d'une vanne de sécurité). Le ressort maintient le tiroir en position fermée jusqu'à ce que la pression du système dépasse la valeur préréglée du ressort, puis le tiroir se déplace et ouvre un chemin vers le réservoir.

Figure 7-3 Un circuit hydraulique simple avec commande de pression (vanne de sécurité). Lorsque le vérin atteint la fin de sa course, la vanne de sécurité s’ouvre et redirige le débit de la pompe vers le réservoir, limitant ainsi la pression maximale du système.

Commande directionnelle des actionneurs

Une fois qu’un vérin hydraulique est complètement sorti, il doit être rentré afin que le travail puisse être à nouveau effectué. Pour cette raison, les vérins devant se déplacer dans deux sens utilisent généralement des vérins hydrauliques dotés de deux orifices — des vérins double effet. Le sens d’écoulement doit alors être inversé simultanément.

Vérin hydraulique double effet

Un vérin hydraulique double effet comporte un orifice à chaque extrémité du corps du vérin, permettant à l’huile d’entrer et de sortir, de sorte que le piston puisse se déplacer dans les deux sens (double effet). Pour distinguer les deux orifices d’un vérin double effet, nous désignons l’un d’eux par « A » et l’autre par « B ».

Vanne de commande directionnelle

Les pièces mobiles internes d’une vanne de commande directionnelle ont pour fonction de raccorder ou de bloquer les passages internes du corps de la vanne, contrôlant ainsi le sens d’écoulement de l’huile.

Construction d'une vanne de commande directionnelle

Une vanne de commande directionnelle typique comporte quatre canaux internes dans le corps de la vanne et un tiroir coulissant qui peut relier ou bloquer ces canaux.

Fonctionnement d'une vanne de commande directionnelle

Lorsque le tiroir se trouve dans une position extrême, le canal de pression est relié au canal de travail A, et le canal de retour est relié au canal de travail B. Lorsque le tiroir bascule vers l'autre position extrême, le canal de pression est relié au canal de travail A, et le canal de retour est relié au canal de travail B. Le basculement de la direction du tiroir inverse le sens d'écoulement de l'huile vers le vérin hydraulique.

Lorsque la tige du vérin s'étend et se rétracte entièrement selon les besoins, le travail est accompli. Lorsque le tiroir bascule vers l'autre position extrême, l'huile s'écoule vers l'autre côté du vérin — et la tige du vérin se rétracte.

Figure 7-4 : Vanne de commande directionnelle dans un circuit avec vérin double effet. Le déplacement du tiroir inverse le sens d'écoulement de l'huile, ce qui inverse le mouvement du vérin.

Régulation de la vitesse des actionneurs

Dans de nombreuses applications, la vitesse de fonctionnement de l'actionneur doit être contrôlée, parfois avec une grande précision. Comme expliqué précédemment, la vitesse des actionneurs (vérins, moteurs hydrauliques) est directement liée au débit d’huile injecté — la vitesse de l’actionneur est déterminée par le débit d’entrée.

Comme la cylindrée de la pompe peut être fixe, il est possible de sélectionner le débit de la pompe en fonction de la vitesse requise de l’actionneur. Cette solution n’est valable que dans les systèmes comportant un seul actionneur.

En général, un système hydraulique comporte plusieurs actionneurs. Si le système exige que chaque vérin hydraulique fonctionne de manière indépendante, le débit de la pompe doit être choisi en fonction du vérin hydraulique le plus volumineux nécessitant la vitesse la plus élevée. Cela signifie que les actionneurs plus petits se déplaceront plus rapidement, ce qui peut ne pas être souhaitable. Afin de réduire le débit arrivant à ces actionneurs ou à tout autre actionneur, une valve de réglage de débit doit être utilisée.

Vanne de contrôle de débit

Lorsqu’une valve de réglage de débit est utilisée, il est toujours possible de réduire le débit provenant de la pompe vers l’actionneur.

Construction d'une vanne de régulation de débit

Une vanne de régulation de débit typique se compose d'un corps de vanne et d'une pièce mobile. Dans notre exemple, la pièce mobile est une aiguille de réglage à extrémité conique. Comme l'aiguille ne se déplace pas réellement pendant le fonctionnement (elle est préréglée à une position donnée), il est plus approprié de qualifier les pièces mobiles de la vanne de régulation de débit d'« ajustables » plutôt que de « mobiles ».

Fonctionnement d'une vanne de régulation de débit

Dans un système hydraulique, la vanne de régulation de débit fonctionne toujours en association avec la vanne de limitation de pression (vanne de sécurité). La vanne de régulation de débit constitue une résistance. Elle provoque une augmentation de la pression générée par la pompe hydraulique. Cette pression peut entraîner l'ouverture partielle de la vanne de sécurité par un débit issu de la pompe, réduisant ainsi le débit traversant la vanne de régulation de débit et atteignant l'actionneur.

Figure 7-5 : Circuit de régulation de débit. La vanne à aiguille limite le débit vers le vérin. Le débit excédentaire de la pompe s'écoule par la vanne de sécurité vers le réservoir. L'ouverture de la vanne à aiguille détermine la vitesse du vérin.

Un système hydraulique simple

Tous les composants présentés ci-dessus peuvent constituer un système hydraulique simple. Comme l’énergie hydraulique de ce système est contrôlable, celui-ci peut accomplir un travail utile.

Les systèmes hydrauliques sont largement utilisés dans de nombreux domaines, allant de l’aéronautique, des aéronefs et des équipements militaires aux applications industrielles, aux machines mobiles et aux équipements sidérurgiques. Les principes de fonctionnement des systèmes hydrauliques dans toutes ces applications sont identiques à ceux décrits ci-dessus. La seule différence entre les divers « types » de systèmes hydrauliques réside dans les composants utilisés.

Dans les chapitres suivants, nous étudierons en détail les différents types de composants utilisés dans les systèmes hydrauliques industriels. Afin d’expliquer comment utiliser ces composants, nous concevrons également quelques circuits hydrauliques de base.

Symboles graphiques hydrauliques

Dans les discussions précédentes portant sur les composants hydrauliques et les systèmes de base, tout a été expliqué de façon graphique — à l’aide de vues en coupe permettant de montrer visuellement les actions internes des composants. Cette méthode est utile pour expliquer les problèmes, mais elle n’est pas pratique du point de vue du travail quotidien.

Comme d’autres domaines techniques, l’hydraulique utilise également des symboles graphiques pour représenter les composants et les systèmes. Les divers composants hydrauliques et les systèmes simples abordés précédemment peuvent tous être représentés à l’aide des symboles graphiques hydrauliques et pneumatiques normalisés ANSI Y32.10 ou ISO 1219.

Outre les composants déjà abordés, les composants constitutifs d’un système hydraulique comprennent également des moteurs électriques, des filtres hydrauliques, etc. Les systèmes hydrauliques sont généralement entraînés par des moteurs électriques. En outre, afin de maintenir un niveau de propreté raisonnable, les systèmes hydrauliques doivent utiliser des filtres hydrauliques afin de protéger l’huile contre la contamination.

Figure 7-7 Symboles graphiques hydrauliques normalisés (ANSI Y32.10 / ISO 1219). Ces symboles sont utilisés sur tous les schémas de circuits hydrauliques au lieu de dessins en coupe.

Figure 7-8 Un circuit hydraulique simple complet représenté à l’aide des symboles graphiques normalisés. C’est ainsi que les circuits hydrauliques sont dessinés dans la pratique du génie.