33-99 No. Rue E Mufu, District de Gulou, Nanjing, Chine [email protected] | [email protected]
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Une valve de non-retour se compose principalement d'un corps de vanne doté d'un orifice d'entrée et d'un orifice de sortie, ainsi que d'une pièce mobile actionnée par un ressort. Cette pièce mobile peut être un disque, une plaque ou un clapet — dans les systèmes hydrauliques, il s'agit le plus souvent d'une bille ou d'un clapet à siège.
Le fluide ne peut traverser une valve de non-retour que dans un seul sens — le sens de libre circulation. Lorsque la pression du système à l'orifice d'entrée augmente suffisamment pour vaincre la force du ressort qui maintient le clapet en position fermée, celui-ci est délogé de son siège et le fluide circule à travers la valve. C'est ce qu'on appelle le sens de libre circulation. Lorsque le fluide tente de circuler en sens inverse depuis l'orifice de sortie, le clapet est repoussé contre son siège, obstruant complètement le passage et bloquant ainsi le flux inverse.
Figure 8-1 : Valve de non-retour. Le clapet à ressort se pose sur son siège lorsque le sens d'écoulement s'inverse, bloquant totalement le flux inverse. La valve de non-retour constitue l'équivalent hydraulique d'une voie à sens unique.
Une valve de non-retour remplit à la fois des fonctions de contrôle de direction et de pression : elle autorise l’écoulement dans un seul sens. Dans les systèmes hydrauliques, les valves de non-retour sont couramment utilisées comme valves de dérivation, permettant à l’écoulement de contourner un composant. Par exemple, une valve de non-retour montée en parallèle avec une valve de réglage du débit autorise l’écoulement inverse à contourner cette dernière.
Les valves de non-retour peuvent également isoler une branche ou un composant d’un système. Par exemple, dans le cas d’un accumulateur : la valve de non-retour empêche l’accumulateur de se décharger en sens inverse via la valve de sécurité ou la pompe hydraulique.
SÉCURITÉ : Lorsque des valves de non-retour sont utilisées dans des circuits comportant des accumulateurs, le circuit doit être équipé d’un mécanisme permettant de décharger automatiquement l’accumulateur lorsque la machine est arrêtée.
Un clapet anti-retour est généralement un dispositif à faible fuite ; en effet, il peut être conçu pour être totalement étanche. Un clapet anti-retour peut retenir une charge pendant une durée quasi indéfinie. Toutefois, n’oubliez pas qu’un clapet anti-retour est une vanne unidirectionnelle : pour libérer la charge, la pièce mobile doit être forcée à quitter son siège. Cela nécessite un type particulier de clapet anti-retour, appelé clapet anti-retour piloté.
Figure 8-2 Trois utilisations courantes des clapets anti-retour dans les circuits hydrauliques : contournement d’un limiteur de débit, isolement d’un accumulateur et seuil de pression à ressort.
La plupart des composants hydrauliques à tiroir présentent un certain débit de fuite interne — cela ne signifie pas une mauvaise qualité, car une grande partie de ce débit de fuite est en fait intégrée intentionnellement afin de lubrifier le composant. Toutefois, si un système exige qu’un vérin retienne une charge suspendue sans dérive, les fuites deviennent un problème. Dans ce cas, un clapet anti-retour doté d’une capacité d’étanchéité doit être utilisé.
Une valve de non-retour pilotée autorise un écoulement libre dans un sens ; lorsqu'une pression pilote force la pièce mobile à quitter son siège, l'écoulement en sens inverse peut également passer.
Comme une valve de non-retour classique, une valve de non-retour pilotée comporte un corps de valve avec des orifices d'entrée et de sortie, ainsi qu'un clapet (pièce mobile) maintenu contre son siège par un ressort. En outre, directement en face du siège, le clapet est équipé d'une tige de poussée et d'un piston pilote maintenu contre son siège par un ressort souple. La pression pilote provenant de l'orifice pilote agit sur ce piston. La cavité du ressort située au niveau du piston comporte un orifice de drainage.
Une valve de non-retour pilotée autorise un écoulement libre de l'entrée vers la sortie, de la même manière qu'une valve de non-retour classique. Un écoulement tentant d'entrer par la sortie force le clapet à se positionner contre son siège, fermant ainsi le passage. Lorsqu'une pression pilote suffisante agit sur le piston pilote, celui-ci se déplace et pousse le clapet de non-retour, le soulevant de son siège. Tant que la force exercée sur le piston pilote est suffisante, l'écoulement peut passer de la sortie vers l'entrée.
Figure 8-3 : Clapet anti-retour piloté. En l’absence de pression pilote, il fonctionne comme un clapet anti-retour classique (écoulement libre dans un seul sens uniquement). Lorsqu’une pression pilote est appliquée, l’écoulement en sens inverse est également autorisé — ce qui permet la libération de la charge.
L’utilisation d’un seul clapet anti-retour piloté pour bloquer l’écoulement provenant du port B du vérin permet de maintenir la charge en suspension tant que les joints du vérin restent étanches, sans fuite dans les conduites, le vérin ou le clapet anti-retour. Pour abaisser la charge, il suffit d’appliquer une pression pilote depuis la conduite A sur le piston de commande.
La pression pilote du clapet anti-retour piloté est prélevée sur la conduite de travail du vérin hydraulique — tant que la pression dans la conduite A est suffisamment élevée, le clapet reste ouvert. Lorsque la charge est soulevée, l’huile traverse facilement le clapet anti-retour, car c’est précisément le sens d’écoulement libre.
Dans certaines situations, les charges fixées à la tige du piston du vérin doivent être verrouillées en position immobile. Pour ce faire, une valve de retenue pilotée peut être installée dans chaque conduite de travail du vérin — ces valves de retenue pilotées bloquent l’écoulement sortant du vérin. Tant que les joints du vérin restent étanches et qu’il n’y a aucune fuite quelque part, la charge peut être maintenue en position.
Pour un verrouillage absolu de la charge, un vérin spécial équipé d’un dispositif de verrouillage mécanique doit être utilisé. Le verrouillage mécanique constitue la méthode la plus sûre pour maintenir une charge en position.
Un accumulateur stocke la pression hydraulique. Cette pression hydraulique représente une énergie potentielle pouvant être convertie en énergie de travail (débit et pression).
Les accumulateurs peuvent être classés en accumulateurs à chargement par gravité, à chargement par ressort et à fluide/gaz. Ils diffèrent selon la manière dont l’accumulateur maintient la force de fonctionnement sur l’huile stockée.
Un accumulateur à gravité utilise le poids d'un objet lourd agissant sur un piston ou un plongeur pour maintenir une force de travail sur l'huile stockée. Ce poids peut être constitué de n'importe quel matériau lourd — fonte, béton ou même eau. Les accumulateurs à gravité sont généralement très volumineux, pouvant parfois contenir des centaines de gallons. Ils alimentent simultanément plusieurs systèmes hydrauliques et sont utilisés dans les laminoirs et les systèmes hydrauliques centraux.
La caractéristique souhaitable d’un accumulateur à gravité est qu’il stocke l’huile à une pression relativement constante — que le réservoir soit plein ou presque vide, la pression stockée reste essentiellement inchangée. Cela s’explique par le fait que la force agissant sur l’huile est la gravité (le poids), qui est constante : quelle que soit la quantité d’huile présente dans l’accumulateur, la force appliquée reste identique.
Un inconvénient des accumulateurs à chargement gravitaire est la production de chocs. Lorsqu’un accumulateur à chargement gravitaire est brusquement arrêté pendant un débit rapide, l’inertie de la masse lourde provoque des pics de pression importants dans le système. Cela peut entraîner des fuites au niveau des tuyaux et des raccords, ainsi que de la fatigue des métaux, conduisant à une défaillance prématurée des composants.
Figure 8-6 : Accumulateur à chargement gravitaire. La masse constante produit une pression constante, quelle que soit la quantité d’huile. Utilisé dans de grands systèmes industriels, tels que les installations hydrauliques des aciéries.
Un accumulateur à ressort utilise un ressort agissant sur un piston pour maintenir une force sur l’huile stockée. Les accumulateurs à ressort sont généralement plus petits que les accumulateurs à gravité, avec une capacité de quelques gallons. Ils desservent typiquement un seul système hydraulique et fonctionnent habituellement à basse pression. Lorsque de l’huile sous pression pénètre dans l’accumulateur à ressort, la pression de l’huile stockée dépend du degré de compression du ressort. Lorsque le piston se déplace vers le haut et comprime le ressort de 10 po (25,4 cm), la pression stockée est supérieure à celle obtenue lorsque le ressort est comprimé de 4 po (10,2 cm).
Afin d'éviter l'accumulation d'huile fuyant dans la cavité du ressort, cette cavité est munie d'un orifice de drainage permettant l'évacuation des fuites. Les accumulateurs à ressort ne doivent pas être drainés vers l'extérieur du réservoir, car cela provoquerait l'émulsion de l'huile. Que l'extrémité du tuyau de drainage soit située au-dessus ou en dessous du niveau du fluide dans le réservoir, l'accumulateur produira toujours de l'écume en fonctionnement : lorsque l'accumulateur débite rapidement du débit, l'huile située au-dessus du piston ne parvient pas à suivre le déplacement du piston, ce qui crée un vide partiel dans la cavité du ressort et entraîne la séparation de l'air contenu dans l'huile. Lorsque l'accumulateur se recharge, le piston remonte, refoulant l'huile chargée d'air vers le réservoir. La présence de bulles d'air dans le réservoir est indésirable ; c'est pourquoi les accumulateurs à ressort ne sont généralement pas drainés vers l'extérieur.
Pour les accumulateurs à ressort dotés d'un drainage externe de la cavité du ressort, une usure du joint du piston exige une attention immédiate. En l'absence de réparation rapide, un nettoyage complet peut s'avérer nécessaire.
Figure 8-7 : Accumulateur à ressort. La force du ressort — et donc la pression emmagasinée — augmente lorsque le piston se déplace vers le haut. Utilisé dans les petits systèmes à basse pression.
L’accumulateur liquide/gaz est le type le plus couramment utilisé dans les systèmes hydrauliques industriels. Il utilise un gaz comprimé pour maintenir une force de fonctionnement sur l’huile stockée.
SÉCURITÉ : Dans les systèmes industriels utilisant des accumulateurs liquide/gaz, utiliser systématiquement de l’azote sec. Ne jamais utiliser d’air comprimé, car les mélanges de vapeur de gaz/huile sont explosifs.
Les accumulateurs liquide/gaz se divisent en trois types — à piston, à membrane et à vessie — selon le dispositif utilisé pour séparer le gaz de l’huile.
Un accumulateur à piston se compose d’un cylindre et d’un piston mobile équipé de joints d’étanchéité élastiques. L’espace supérieur du piston est rempli de gaz comprimé. Lorsque de l’huile est introduite dans le cylindre, le gaz est comprimé. Lorsque l’huile est évacuée de l’accumulateur, la pression du gaz diminue. Lorsque toute l’huile a été évacuée, le piston atteint la fin de sa course et obture le port de sortie, retenant ainsi le gaz à l’intérieur de l’accumulateur.
Un accumulateur à membrane est une sphère formée par le boulonnage de deux hémisphères métalliques. L’espace interne est divisé par une membrane en caoutchouc synthétique — la chambre supérieure est remplie de gaz. Lorsque de l’huile sous pression pénètre dans l’autre chambre, le gaz est comprimé. Une fois toute l’huile évacuée, la membrane recouvre le port de sortie et retient le gaz à l’intérieur de l’accumulateur ; la membrane ne sera pas poussée au-delà de son épaisseur.
Un accumulateur de type vessie se compose d'une enveloppe métallique et d'une vessie en caoutchouc synthétique interne. La vessie est remplie de gaz. Lorsque de l'huile pénètre dans l'enveloppe, le gaz contenu dans la vessie est comprimé et l'huile s'écoule hors de l'enveloppe. Lorsque toute l'huile a été évacuée, la pression du gaz tend à pousser la vessie vers l'orifice de sortie — mais lorsque la vessie entre en contact avec le clapet d'étanchéité à l'orifice de sortie, l'huile contenue dans l'enveloppe est automatiquement scellée.
Figure 8-8 Trois types d'accumulateurs fluides/gaz. Tous utilisent de l'azote comprimé pour stocker de l'énergie hydraulique. Le type à piston (en haut), le type à membrane (au milieu) et le type à vessie (en bas) diffèrent par la manière dont le gaz et l'huile sont séparés.
Les accumulateurs peuvent assurer plusieurs fonctions dans les systèmes hydrauliques : fournir un débit, maintenir la pression et absorber les chocs.
L’alimentation en débit constitue l’une des utilisations d’un accumulateur. Un accumulateur chargé est une source d’énergie potentielle hydraulique. Lorsque le système nécessite un débit supérieur à celui que la pompe peut fournir, l’énergie stockée dans l’accumulateur peut être mobilisée pour générer un débit au niveau du système. Par exemple, si une machine est conçue de sorte que sa durée effective de fonctionnement soit très courte au cours de son cycle de service, une pompe de faible cylindrée peut charger l’accumulateur pendant un certain temps. Lorsque la machine entre en fonctionnement, la vanne directionnelle bascule en position de travail et l’accumulateur fournit immédiatement de l’huile sous pression à l’actionneur, selon les besoins. Cette méthode d’utilisation de l’accumulateur avec une pompe de petite taille permet de stocker la puissance crête — autrement dit, elle remplace le débit élevé/la puissance élevée fournie en peu de temps par une pompe/moteur de grande taille, par une pompe/moteur de petite taille fonctionnant en moyenne sur une période plus longue.
Les accumulateurs peuvent servir à maintenir la pression. Lorsque la pompe/moteur débite vers d’autres parties du système, un accumulateur peut maintenir la pression sur une branche du circuit.
Lorsque le système exige que le vérin de serrage A revienne, le vérin de serrage B doit maintenir la pression. Lorsque la valve directionnelle A commute, la pression dans la pompe hydraulique et les conduites du vérin A chute rapidement, tandis que le vérin B est maintenu par l’accumulateur, qui a déjà emmagasiné suffisamment d’huile sous pression pour compenser les fuites dans les conduites du vérin B.
Dans une autre application, un vérin de travail situé à proximité d’un four subit une température ambiante élevée provoquant une dilatation thermique de l’huile. L’accumulateur absorbe cette augmentation de volume et maintient la pression à un niveau relativement constant. En l’absence d’accumulateur, la montée de pression dans les conduites serait incontrôlée et pourrait entraîner la rupture des boîtiers de composants, des tuyaux ou des raccords.
Figure 8-10 : Accumulateur destiné au maintien de la pression. (Haut) Maintient la pression sur une branche de circuit tandis que la pompe alimente un autre circuit. (Bas) Absorbe les variations de volume dues à la dilatation thermique de l’huile à proximité de sources de chaleur.
Les accumulateurs de fluide/gaz peuvent également être utilisés pour absorber les chocs dans le système. Un choc dans un système hydraulique peut être causé par l'inertie d'une charge connectée à un vérin ou à un moteur, ou par une coupure soudaine du débit ou un basculement rapide de la vanne de direction, ce qui génère un choc dû à l'inertie du fluide. Un accumulateur placé dans le circuit peut absorber une partie de ce choc et empêcher sa propagation dans tout le système.
Des forces mécaniques externes peuvent également provoquer un choc hydraulique. Une charge reliée à un vérin hydraulique présentant une tendance au rebond pousse le piston en arrière, créant ainsi un choc hydraulique. Un accumulateur installé sur la ligne du vérin, s’il est correctement chargé, contribue à atténuer l’effet de choc. S’il est mal chargé, il peut également entraîner une surpression.
Puisque les accumulateurs fluides/gaz utilisent un gaz comprimé pour stocker la pression d'huile, les propriétés du gaz influencent les performances de l'accumulateur. Lorsqu’un accumulateur fluide/gaz est chargé, le gaz est comprimé et sa température augmente. À pression constante, un gaz chaud occupe plus d’espace qu’un gaz plus froid.
Le processus isotherme décrit l’état de fonctionnement de l’accumulateur lorsque la température du gaz reste constante. Lors du chargement, un fonctionnement isotherme signifie que le gaz est comprimé suffisamment lentement pour que toute la chaleur générée par la compression soit entièrement dissipée. Le processus adiabatique décrit l’état de fonctionnement de l’accumulateur lorsque la température du gaz varie. Lors du chargement, un fonctionnement adiabatique signifie que le gaz est comprimé si rapidement que toute la chaleur est retenue.
Pour un accumulateur fluide/gaz chargé à la même pression, le processus isotherme stocke davantage d’huile que le processus adiabatique.
Exemple numérique : Un accumulateur à piston a initialement une pression de gaz de 500 psi (34,48 bar) et une température de 70 °F (21 °C). S’il est chargé jusqu’à 1 000 psi (68,97 bar) par un processus adiabatique (rapide), la température et la pression augmentent simultanément. À 1 000 psi (68,97 bar), l’huile cesse d’entrer ; la température atteint 150 °F (65,6 °C) et l’accumulateur stocke 135 po³ (2 215,65 cm³) d’huile. Si le chargement s’effectue de façon isotherme (lent), la température reste constante à 70 °F (21 °C) tout au long du processus ; à 1 000 psi (68,97 bar), l’huile cesse d’entrer et l’accumulateur stocke 150 po³ (2 458,5 cm³) d’huile.
Figure 8-12 : Chargement isotherme versus chargement adiabatique. Un chargement lent (isotherme) permet de stocker davantage d’huile qu’un chargement rapide (adiabatique) à la même pression finale, car la température reste plus basse et le gaz occupe moins de volume.
Pendant la vidange d'huile, le gaz se détend et se refroidit. À pression constante, un gaz plus froid occupe moins de volume qu'un gaz plus chaud. En pratique, le fonctionnement de l'accumulateur est généralement adiabatique — et non isotherme. Dans les sections suivantes, la préoccupation principale n'est pas la quantité d'huile que l'accumulateur peut stocker, mais plutôt la quantité d'huile qu'il délivre avant que la pression ne chute à un niveau inférieur, ce qui dépend fortement de la pression de prélavage.
Lorsqu’un accumulateur est complètement vide d’huile, la pression du gaz introduite dans l’accumulateur fluide/gaz correspond à la pression de prélavage. Cette pression influence considérablement le volume effectif et les performances d’absorption des chocs de l’accumulateur.
Les accumulateurs de fluide/gaz utilisés pour produire un débit dans le système ou maintenir la pression fonctionnent généralement entre une pression de service maximale et une pression de service minimale. Lorsqu’il est complètement chargé en huile, l’accumulateur atteint la pression de service maximale. Lorsqu’il est nécessaire, la pression de service diminue et l’accumulateur délivre de l’huile jusqu’à une pression minimale inférieure. Le volume d’huile que l’accumulateur délivre entre la pression de service maximale et la pression de service minimale constitue le volume effectif.
La pression de précharge influence le volume effectif. Exemple : un accumulateur de fluide/gaz de 231 po³ (3 786 cm³) dans un système utilise une petite pompe pour charger l’huile jusqu’à la pression du système, soit 2 000 psi (137,9 bar). Pour fournir un débit, la pression est autorisée à chuter jusqu’à 1 500 psi (103,4 bar). La pression de précharge choisie détermine la quantité d’huile que l’accumulateur fournit au système.
D’après le tableau des performances, un accumulateur de 231 po³ (3 786 cm³) avec une précharge de 100 psi (6,89 bar) peut emmagasiner 210 po³ (3 441,9 cm³) d’huile à une charge isotherme de 1 000 psi (limite supérieure = valeurs isothermes). À 1 500 psi (103,4 bar), il emmagasine 202 po³ (3 310,8 cm³), délivrant ainsi 8 po³ (131 cm³) entre ces deux pressions. Cet accumulateur à faible précharge emmagasine une grande quantité d’huile, mais en délivre très peu.
En augmentant la précharge à 1 000 psi (68,96 bar), l’accumulateur emmagasine 93 po³ (1 524,3 cm³) à 2 000 psi (137,9 bar) et 59,5 po³ (975 cm³) à 1 500 psi (103,4 bar), ce qui permet de délivrer 33,5 po³ (594,1 cm³). Une précharge plus élevée entraîne un stockage moindre d’huile, mais une délivrance nettement supérieure. Avec une précharge de 1 400 psi (96,6 bar), la quantité d’huile stockée est minimale, tandis que la quantité d’huile délivrée est maximale.
Figure 8-13 : Tableau des performances de l’accumulateur (capacité de 231 po³). Une pression de précharge plus élevée permet de délivrer davantage d’huile par cycle entre des limites de pression données, mais réduit la quantité totale d’huile stockée. Sélectionnez la précharge en fonction du volume effectif requis, et non de la capacité totale.
La sortie de volume efficace d’un accumulateur doit être contrôlée par le débit. Pour le maintien de la pression, le débit contrôlé est déterminé par les fuites à compenser. Pour les accumulateurs utilisés pour fournir de l’huile sous pression, lorsque la vanne directionnelle en aval commute, la sortie de volume efficace est trop rapide. Pour cette raison, ces accumulateurs sont souvent équipés de vannes de régulation de débit et de clapets anti-retour de dérivation sur leurs orifices d’entrée/sortie.
Lorsqu’un accumulateur liquide/gaz est utilisé comme amortisseur, sa précharge est généralement réglée légèrement supérieure à la pression de service maximale du circuit (réglée approximativement à 100 psi / 6,896 bar au-dessus de la pression maximale définie par le réglage de la valve de sécurité). Si la pression de service maximale est définie par la valve de sécurité, la précharge peut être réglée approximativement à 100 psi au-dessus du réglage de cette valve.
La pression de précharge d’un accumulateur de fluide/gaz influence sa capacité d’absorption des chocs. Dans un système hydraulique, les chocs sont causés soit par des forces mécaniques externes agissant sur un vérin ou un moteur, entraînant une augmentation rapide de la pression, soit par l’inertie du fluide lorsque une vanne hydraulique se ferme brusquement.
L’accumulateur peut absorber la partie de l’huile sous pression de choc qu’il est capable de comprimer et de transférer. Une ligne équipée d’un accumulateur devient compressible au-delà d’une certaine pression. Si la pression de précharge de l’accumulateur est trop faible, celui-ci stocke déjà une certaine quantité d’huile avant l’arrivée du choc, ce qui limite sa capacité d’absorption à 4 po³ (65,6 cm³). Si la pression de précharge est de 2 500 psi (172,4 bar) — trop élevée —, la pression monte à près de 2 800 psi (193 bar) avant que 4 po³ soient absorbés. Pour les amortisseurs de chocs, la pression de précharge est extrêmement importante.
Un accumulateur de fluide/gaz est chargé en gaz à la pression de précharge appropriée une seule fois. Cela signifie que la même pression de précharge ne peut pas être maintenue indéfiniment. Lorsque l’accumulateur fonctionne, du gaz comprimé s’échappe par la vanne à gaz — éventuellement en raison d’une défaillance de la vanne à gaz ou d’un mauvais étanchéité, ou encore d’un problème lié au siège conique du noyau de la vanne dans son siège. La pression du gaz diminue également progressivement lors de la sortie d’huile pour les accumulateurs à vessie et à membrane — ce phénomène se produit généralement de façon catastrophique, provoquant la rupture du matériau synthétique en caoutchouc de la membrane. Pour les accumulateurs à piston, durant le processus de décharge, le gaz chargé peut s’échapper au-delà des joints usés depuis la zone du piston. Une perte progressive de la pression de précharge peut indiquer un accumulateur à piston présentant un certain degré d’usure.
La pression de précharge correcte est essentielle au bon fonctionnement de l’accumulateur liquide/gaz, aussi doit-elle être vérifiée régulièrement. Un dispositif de gonflage équipé d’un manomètre est nécessaire pour contrôler la pression de précharge. Ce dispositif se compose principalement d’un raccord de gonflage, d’une valve de purge et d’un manomètre.
Procédure de vérification : évacuer tout l’huile de l’accumulateur, retirer le capuchon de protection (généralement situé sur la vanne à gaz en haut de l’accumulateur). Avec la poignée du raccord de gonflage complètement relevée, vérifier que la valve de purge est fermée. Connecter le raccord de gonflage à la vanne à gaz de l’accumulateur, serrer l’écrou aile du raccord, assurer une connexion fiable avec la vanne à gaz. Visser la vis du raccord afin d’enfoncer complètement le noyau de la vanne à gaz de l’accumulateur ; lire la pression indiquée sur le manomètre — il s’agit de la pression de précharge de l’accumulateur.
Si la précharge est correcte, tournez la poignée du mandrin vers l’extérieur pour fermer la vanne de gaz de l’accumulateur, ouvrez la vanne de purge afin de dépressuriser le dispositif de remplissage, desserrez l’écrou aile du mandrin, retirez le dispositif de l’accumulateur, puis remontez le capuchon de protection de la vanne de gaz.
Si la précharge est trop élevée, ouvrez la vanne de purge pour libérer la pression excédentaire. Si la précharge doit être augmentée, retirez d’abord la poignée de la tête de serrage afin de fermer la vanne de gaz de l’accumulateur, ouvrez la vanne de purge pour dépressuriser le dispositif de chargement, puis fermez la vanne de purge et connectez le dispositif de chargement à une bouteille d’azote. Faites tourner la poignée de la tête de serrage vers l’intérieur pour appuyer complètement sur le noyau de la vanne de gaz de l’accumulateur, puis ouvrez la vanne de la bouteille d’azote afin de laisser entrer lentement le gaz dans l’accumulateur. Lorsque le manomètre indique la pression souhaitée, fermez la vanne de gaz. Une fois que le manomètre affiche la précharge correcte, fermez la vanne de la bouteille d’azote, retirez la poignée de la tête de serrage pour fermer la vanne de gaz de l’accumulateur, ouvrez la vanne de purge, puis déconnectez le flexible de chargement et le dispositif de chargement.
Figure 8-15 : Vérification et réglage de la précharge de l’accumulateur. (En haut) Des joints du piston usés provoquent une perte progressive de la précharge. (En bas) Kit standard de chargement à l’azote — utilisez toujours de l’azote sec, jamais d’air comprimé.
Dans un circuit hydraulique classique équipé d’un accumulateur, lorsque l’accumulateur est entièrement chargé et qu’aucun composant du système n’est en fonctionnement, le débit de la pompe/moteur doit être dévié vers le réservoir à la pression la plus faible possible. Dans le circuit illustré, une vanne de décharge est utilisée pour ce dégagement. Dès que la pression dans l’accumulateur atteint le réglage de la vanne de décharge, celle-ci s’ouvre et redirige le débit de la pompe vers le réservoir.
Ce type de dégagement ne peut généralement durer que quelques secondes, car il existe toujours des fuites en aval de la clapet anti-retour. L’accumulateur doit compenser ces fuites — sa pression diminue progressivement — la vanne de décharge se ferme progressivement, et l’ouverture vers le réservoir devient de plus en plus petite, jusqu’à ce que la pression dans l’accumulateur tombe en dessous de la pression d’ouverture de la vanne. À mesure que la vanne se ferme, la pompe/moteur doit développer une puissance accrue afin de recharger l’accumulateur jusqu’au réglage de la vanne de décharge.
Pour garantir que la pompe/moteur soit complètement déchargée avant la recharge de l’accumulateur, un pressostat peut être utilisé. Dans le circuit, le pressostat détecte la pression de l’accumulateur et envoie un signal électrique de commutation à un seuil de pression prédéfini. Ce signal électrique est transmis à une électrovanne bidirectionnelle normalement fermée, qui commande une vanne de sécurité pilotée afin d’assurer la décharge. Lorsque la pression dans l’accumulateur atteint le seuil réglé du pressostat, le relais envoie un signal à l’électrovanne pour décharger la vanne de sécurité et diriger le débit de la pompe/moteur vers le réservoir via cette vanne de sécurité.
Figure 8-16 : Circuits de décharge d’accumulateur. (Haut) Vanne d’évacuation simple — décharge vers le réservoir lorsque l’accumulateur atteint la pression réglée, mais tend à provoquer des cycles. (Bas) Pressostat associé à une vanne de sécurité pilotée — assure une décharge complète et un contrôle précis de la plage de pression.
Une fois l’accumulateur chargé, une valve de décharge à différentiel de pression peut remplacer l’interrupteur de pression et la valve électromagnétique pour libérer la valve de sécurité et décharger la pompe/moteur. La valve de décharge à différentiel de pression est une valve hydraulique conçue spécifiquement pour les applications avec accumulateur. Comme son nom l’indique, cette valve utilise un différentiel de pression pour décharger la pompe/moteur.
La valve de décharge à différentiel de pression est constituée, dans un seul corps de valve, d’une valve de sécurité pilotée, d’une valve de non-retour et d’un piston différentiel. Le corps de la valve comporte trois orifices : orifice de pression, orifice de retour et orifice d’accumulateur.
À l'intérieur de la valve de décharge à pression différentielle, la clapet anti-retour et la valve de sécurité pilotée fonctionnent normalement. L'huile en sortie de la pompe peut charger l'accumulateur via le clapet anti-retour. Le piston différentiel est positionné en regard du tiroir de la valve pilote et peut se déplacer librement dans son alésage. Les deux extrémités du piston sont soumises à des surfaces égales de pression. Lorsque l'accumulateur est en cours de charge, la pression des deux côtés du piston est quasiment identique (en négligeant la perte de charge à travers le clapet anti-retour), de sorte que le piston ne se déplace pas. Lorsque la pression agissant sur le tiroir de la valve pilote devient suffisamment élevée, ce tiroir est repoussé hors de son siège — comme cela est déjà connu, ce déplacement pilote permet de limiter la pression dans la cavité du ressort de la valve principale. Comme la cavité du ressort de la valve principale et l'une des extrémités du piston différentiel sont soumises à une pression limitée, le piston se déplace vers le tiroir de la valve pilote, repoussant complètement ce tiroir hors de son siège, ce qui libère effectivement la pression de commande dans la cavité du ressort du tiroir principal, décharge la valve de sécurité et décharge la pompe/moteur. Simultanément, le clapet anti-retour se ferme, empêchant ainsi l'huile de l'accumulateur d'être évacuée par la valve de sécurité.
La surface différentielle du piston exposée à la pression est 15 % supérieure à la surface de la tige de la soupape pilote. Puisque la force = pression × surface, la force maintenant la tige de la soupape pilote éloignée de son siège est supérieure de 15 % à la force soulevant la tige de la soupape pilote. Cela signifie que le ressort doit recevoir une force supérieure de 15 % provenant d’une autre source afin de replacer la tige de la soupape pilote sur son siège — ou bien la pression du système doit chuter de 15 % avant que la tige de la soupape pilote puisse se replacer sur son siège.
Cela garantit que la valve de décharge à pression différentielle maintient la pompe/moteur à l’état de décharge après le remplissage de l’accumulateur, jusqu’à ce que la pression chute d’un pourcentage fixe — généralement environ 15 % de la pression de réglage de la soupape pilote. Par exemple, avec une soupape pilote réglée à 1 000 psi (69 bar), la décharge intervient entre 1 000 psi (69 bar) et 850 psi (59 bar) ; avec une soupape pilote réglée à 2 000 psi (138 bar), la plage de décharge s’étend de 2 000 psi (138 bar) à 1 700 psi (117 bar).
Dans toute application, pour que l’énergie hydraulique accomplisse un travail utile, elle doit être convertie en énergie mécanique. Les vérins hydrauliques transforment l’énergie hydraulique en mouvement mécanique linéaire.
Un vérin hydraulique se compose d’un fût, d’un piston mobile équipé de joints d’étanchéité souples et relié à une tige de piston, ainsi que de deux embouts. Ces embouts peuvent être filetés, à brides, emboutis ou soudés sur le fût. Les vérins hydrauliques industriels utilisent couramment des liaisons boulonnées à l’extrémité de la tige. Lorsque la tige de piston se déplace, on parle de « kit d’étanchéité pour tige de piston » ou d’« anneau de guidage amovible », qui guide et soutient la tige de piston.
L’extrémité munie de la tige de piston est appelée « extrémité tige » ; l’autre extrémité, dépourvue de tige, est appelée « extrémité aveugle ». Les orifices d’entrée et de sortie sont situés respectivement sur les embouts « extrémité tige » et « extrémité aveugle ».
Pour un fonctionnement correct, le joint d’étanchéité du piston et de la tige de piston du vérin hydraulique doit assurer une étanchéité fiable. Les joints couramment utilisés sur les pistons de vérins hydrauliques sont les joints à lèvre, les bagues en fonte pour piston ou les unités de joints unidirectionnels ou bidirectionnels simples. Les matériaux et composants des joints doivent être vérifiés afin de garantir leur compatibilité avec le fluide de travail et les conditions d’exploitation.
Le joint multicouche de la tige de piston est un type efficace de joint pour la tige de piston, composé d’un joint principal doté d’une surface d’étanchéité interne en forme de lèvre, d’un essuie-piston qui reste en contact permanent avec la surface de la tige de piston pendant le fonctionnement et qui élimine l’huile de travail de cette surface, ainsi que d’un joint secondaire anti-poussière qui récupère l’huile résiduelle laissée par le joint principal et, lors de la rentrée de la tige de piston, essuie toute saleté adhérente à celle-ci.
Comme décrit ci-dessus, l’huile accumulée dans la cavité située entre le joint principal et le joint anti-poussière peut revenir dans l’alésage du cylindre pendant la course de rentrée — ceci est normal. Toutefois, si la course du cylindre est particulièrement longue (10 pi / 3,05 m ou plus), l’huile accumulée dans la cavité des joints pourrait être suffisante pour dépasser la capacité d’étanchéité du joint de la tige de piston. Dans ce cas, et lorsqu’il y a un excès d’huile dans la cavité des joints, la cavité du joint de la tige de piston doit être équipée d’une liaison de drainage externe.
Figure 8-18 : Détails de la construction du cylindre. Le capuchon d’extrémité de tige contient l’ensemble du joint de la tige de piston. Pour les cylindres à longue course, un orifice de drainage est ajouté afin d’éviter que l’huile n’submerge le joint.
Lorsque l’énergie hydraulique pousse le piston du cylindre jusqu’à la fin de course (c’est-à-dire à la limite de la course du cylindre), l’inertie de l’huile provoque un choc — le « choc hydraulique ». Si cette énergie est suffisamment importante, ce choc peut endommager les vérins hydrauliques.
Pour protéger les vérins hydrauliques contre les chocs excessifs, des dispositifs d’amortissement peuvent être installés. Ces dispositifs permettent de ralentir le piston du vérin à l’approche de la fin de sa course. Ils peuvent être installés à une extrémité, à l’autre extrémité ou aux deux extrémités d’un vérin hydraulique.
Un dispositif d’amortissement se compose d’une vis à aiguille régulant le débit et d’une pointe d’amortissement montée sur l’extrémité borgne du piston, ainsi que d’un manchon d’amortissement fixé sur la tige du piston. Ces éléments agissent comme des obturateurs à chaque extrémité.
Lorsque le piston du vérin hydraulique s'approche de la fin de sa course, la pointe amortissante ou le manchon amortissant obstrue la sortie d'huile normale. Cela force l'huile à circuler uniquement à travers la vis de réglage (robinet aiguille). Une partie de l'huile sous pression, définie par le réglage de la valve de sécurité, s'échappe par la vis de réglage. Le débit restant qui traverse la vis de réglage détermine le taux de décélération du vérin. Le réglage de la vis de réglage détermine le taux de décélération du piston. Lors de la course de retour, le fluide pénètre dans le vérin par une seule valve de non-retour (non représentée), contournant ainsi la vis de réglage, de sorte que la vitesse en sens inverse n'est pas affectée.
Parfois, la longueur de course d'un vérin hydraulique doit être limitée par un dispositif de commande externe. En installant une vis de butée pouvant être vissée ou dévissée sur le corps du vérin, la course peut être préréglée. Tout type de dispositif de réglage de course doit être vérifié conformément aux exigences relatives à la force d'arrêt, aux chocs, aux impacts et aux effets dimensionnels.
Figure 8-19 : Amortisseurs de vérin, réglage de la course, types de fixation et types de charge. Les amortisseurs protègent le vérin en fin de course ; le type de fixation détermine dans quelle mesure le vérin peut supporter sa charge.
Les vérins hydrauliques disposent de nombreux types de fixation, notamment : brides, axes de pivotement (trunnions), supports latéraux, vis centrales, anneaux doubles à supports latéraux, tiges de fixation (tie-rods) et fixations par soudure. Les fixations centrales ou les fixations par soudure constituent une conception très performante, car elles engendrent un désalignement minimal pendant le fonctionnement du vérin.
Les vérins hydrauliques peuvent convertir l’énergie hydraulique en mouvement mécanique rectiligne ou linéaire. Toutefois, en raison du choix des liaisons mécaniques, les vérins peuvent également produire de nombreux types différents de mouvement mécanique.
Les vérins hydrauliques peuvent déplacer de nombreux types de charges dans diverses applications. En général, les charges poussées par la tige de piston sont appelées charges de poussée ; les charges tirées par la tige de piston sont appelées charges de traction.
Un tube butée est un manchon métallique plein monté sur la tige du piston. Lorsque la tige du piston d’un vérin à course longue est complètement sortie, le tube butée éloigne le piston et le manchon de guidage d’une certaine distance. Le manchon de guidage de la tige du piston est un palier qui soutient la tige du piston pendant le fonctionnement du vérin. Il est conçu pour supporter une charge déterminée. En plus d’assurer la fonction d’axe, le manchon de guidage de la tige du piston constitue également un point d’application de charge sur cette tige. Dans le cas de vérins à course longue reliés à une charge, la tige du piston, en l’absence d’un guidage rigide, a tendance à fléchir lorsqu’elle est complètement sortie, ou une déformation peut apparaître au niveau du manchon de guidage, ce qui engendre une charge latérale nuisible au manchon de guidage de la tige du piston.
La fonction du tube butée consiste à éloigner le piston et le manchon de guidage d’une certaine distance lorsque la tige du piston est complètement sortie, réduisant ainsi la charge appliquée sur le manchon de guidage de la tige du piston.
Les vérins hydrauliques existent sous de nombreux types. Ci-dessous figurent quelques-uns des types de vérins les plus couramment utilisés ; ils apparaîtront également dans certains circuits d’application abordés dans les leçons ultérieures.
Figure 8-20 Types de vérins hydrauliques. Chaque type convient à une application spécifique : télescopique pour une course longue dans un espace limité, tandem pour une force élevée dans un diamètre d’alésage limité, à double tige pour une force/vitesse égale dans les deux sens.
Le type le plus courant en hydraulique industrielle est le vérin double effet à simple tige. Pour ce type, les paramètres clés sont le débit admissible (en gpm) et la pression admissible (en psi), ainsi que la force mécanique résultante et le mouvement de la tige de piston.
La surface du piston et la surface effective du piston sont généralement abordées pour les vérins double effet à simple tige. La grande surface du piston correspond à la section transversale totale du piston exposée à la pression dans l’extrémité aveugle du cylindre (côté sans tige). La petite surface effective (surface annulaire) correspond à la surface du piston exposée à la pression du côté de la tige, car la tige de piston occupe une partie de la surface du piston. Par conséquent, la petite surface effective est généralement inférieure à la grande surface.
La vitesse d'extension de la tige de piston du vérin hydraulique est déterminée par la rapidité avec laquelle le fluide remplit l'extrémité aveugle du vérin. La vitesse de la tige de piston est couramment exprimée en pi/min ou en m/min :
Vitesse de la tige (pi/min) = Débit (gal/min) × 19,25 / Surface du piston (po²)
* Vitesse de la tige (m/s) = Débit (L/min) × 0,167 / Surface du piston (cm²)
* Si le calcul est effectué en m/s et que le résultat est inférieur à 0,1 m/s, exprimez le résultat en mm/s.
Exemple : un vérin dont la surface du piston est de 10 po² (64,5 cm²) reçoit un débit de 5 gal/min (18,95 L/min). La vitesse de la tige = (5 × 19,25) / 10 = 9,63 pi/min (49 mm/s). Avec un débit doublé (10 gal/min / 37,9 L/min), la vitesse de la tige double également pour atteindre 19,25 pi/min (97,33 mm/s).
Lors de la rentrée de la tige de piston, le débit pénètre dans l'extrémité tige. À débit d'entrée identique, la vitesse de rentrée est supérieure à la vitesse d'extension — utilisez dans la formule la petite surface (annulaire) du piston.
Exemple : un débit de 10 gpm (38 l/min) entre dans l’extrémité tige d’un vérin dont la surface grande est de 10 po² (65 cm²) et la surface petite de 8 po² (52 cm²). Vitesse de rentrée = (10 × 19,25) / 8 = 24,06 pi/min (0,12 m/s).
Vitesse de la tige (pi/min) = Débit (gpm) × 19,25 / Surface petite (po²)
Vitesse de la tige (m/s) = Débit (L/min) × 0,167 / Surface petite (cm²)
À débit d’entrée identique, un vérin double effet à simple tige se replie plus rapidement qu’il ne s’étend.
Pendant la rentrée, le fluide entre par l’extrémité tige et sort par l’extrémité aveugle. Le débit de sortie est supérieur au débit d’entrée — il peut être calculé à l’aide de la même formule que celle utilisée pour le débit en gpm (l/min), mais en utilisant la surface de la grande chambre du piston. Exemple : 10 gpm entrant par l’extrémité tige à une vitesse de 24,06 pi/min : débit de sortie = (24,06 × 10) / 19,25 = 12,5 gpm (46 L/min).
Comme le montre la figure, la force produite par un vérin hydraulique est fonction de la pression hydraulique agissant sur la surface du piston du vérin. Si un vérin spécifique doit produire une force de sortie maximale supérieure à celle actuelle, il s'agit souvent d'augmenter la pression à un niveau proportionnel. Dans certaines situations, la pression du système et les dimensions du vérin ne permettent pas d'utiliser un vérin plus grand ; un vérin tandem peut résoudre ce problème.
Un vérin tandem se compose de deux vérins ou plus montés en série. Les tiges de piston sont reliées entre elles pour former une seule tige de piston commune. Des joints d’étanchéité de la tige de piston entre les vérins permettent à chaque vérin de fonctionner en double effet. Lorsque les dimensions du vérin sont limitées par l’encombrement disponible et la taille de la machine, bien que la pression fournie par la pompe ou le moteur soit relativement faible, la même force mécanique de sortie peut être obtenue.
Exemple : l'installation de la machine la plus grande permet une surface de piston de 10 po² (64,5 cm²). La pression maximale nécessaire pour vaincre la résistance de charge est uniquement de 500 psi (34,48 bar). L'ajout d'une pression de 500 psi (34,48 bar) sur le côté de la surface efficace de 8 po² (51,6 cm²), avec une contre-pression, génère une force de 781 psi (53,86 bar). Dans un circuit en tandem comportant deux vérins, chacun soumis à une pression de 500 psi (34,48 bar) avec une surface de 10 po² et une surface efficace de 8 po², la sortie combinée est nettement plus importante.
FORMULES CLÉS – CHAPITRE 8
|
Formule |
Équation |
Remarques |
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Vitesse de sortie de la tige |
v = Q × 19,25 / A_grande |
Q en gpm, A en po², v en pi/min |
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Vitesse de rentrée de la tige |
v = Q × 19,25 / A_petite |
Utiliser la surface annulaire (petite) |
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Vitesse de la tige (SI) |
v = Q × 0,167 / A |
Q en L/min, A en cm², v en m/s |
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Détente côté fond de tige |
Q_sortie = v × A_grande / 19,25 |
Plus de débits sortants que rentrants pendant la rentrée |
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Force du vérin |
F = P × A |
F en lb, P en psi, A en po² |
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