Contrôle de pression (1) - Cours de Mécanique des fluides avec Maxicours

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Contrôle de pression (1)

Vous avez déjà pris conscience de l'importance du paramètre pression dans un circuit hydraulique.

Si cette pression est indispensable au bon fonctionnement du circuit hydraulique, il est aisément concevable que ce phénomène, qui génère la puissance, doit être contrôlé d'autant plus que les autres composants et toutes les parties du système hydraulique sont sous l'effet de la pression.

Le contrôle de pression se fait par des soupapes de pression. Ces soupapes sont définies comme étant des composants agissant d'une manière prédéterminée sur la pression d'un système dans une installation ou une partie d'installation hydraulique. L'action de ces composants a lieu seulement par la modification de sections d'étranglement. Les soupapes se classent selon leur modes de conception ou selon leur fonction.

Ainsi, deux types de soupapes (ou valves) se trouvent sur le marché : les soupapes à tiroir et les soupapes à clapet. Selon la fonction pour laquelle elles sont conçues, les soupapes de pression peuvent se diviser en six catégories :

- limiteur de pression ;

- soupape de séquence ;

- soupape de réduction de pression ;

- soupape d'équilibrage ;

- soupape de décharge ;

- soupape de freinage.

Il existe aussi trois types de composants de pression spéciales appelées :

- soupape conjoncteur-disjoncteur ou soupape de coupure ;

- module de balance de pression ;

- soupape de pression à servo-contrôle.

Dans cette étude, vous apprendrez le fonctionnement, le rôle et les critères de sélection de chacun de ces composants.

1. Limiteur de pression

Limiteur de pression à action directe :

Dans un circuit hydraulique, un limiteur de pression sert à limiter la pression à une valeur maximum fixée préalablement.

Il est nécessaire et obligatoire de monter un limiteur de pression dans tout circuit hydraulique sinon en cas de surpression le circuit subira des dégâts et entraînera des accidents graves.

Quand la pression maximale est atteinte, le limiteur de pression s'active et retourne le fluide en trop vers le réservoir. Le schéma suivant (figure suivante) illustre le fonctionnement d'un limiteur de pression à action directe.

Par action directe, on signifie que la pression à contrôler agit directement sur le clapet de retenue.

Limiteur de pression à action directe :

Lorsque la pression du système (S) atteint le tarage du ressort, le clapet (C) recule alors et laisse circuler le surplus de fluide vers l'orifice (R).

Les symboles des limiteurs de pression Vickers (a) et Rexroth (b) sont donnés ci-dessous (figure suivante).

Symboles de limiteurs de pression :

Source : Vickers & Rexroth.

Applications et critères de sélection :

De façon générale, le limiteur de pression est utilisé comme soupape de sécurité (figure suivante).

Soupape de sécurité :

Lors du choix d'une soupape de sécurité dans une installation simple et facile d'entretien, vous devez tenir compte des critères suivants :

  • Le débit de surplus qui se dirige au réservoir doit être minime lors de l'activation de la soupape ;
  • Il faut que la soupape fonctionne le moins souvent possible ;
  • Le bruit que produit la vibration du siège de la soupape doit être réduit au strict minimum de façon à ne jamais être incommodant.

Limiteur de pression piloté :

Puisque le limiteur de pression à action directe est très limité dans ses applications, il a été nécessaire de concevoir d'autres modèles plus adaptés aux circuits hydrauliques modernes.

Pour combler ces besoins, les concepteurs de composants hydrauliques ont lancé sur le marché quelques modèles de limiteurs de pression que voici.

Limiteurs de pression avec piston équilibré :

La compagnie Vickers a mis sur le marché le modèle à tiroir de balance de pression dont le fonctionnement est décrit ci-dessous (figure ci-dessous). Ce modèle peut admettre un débit plus important vers le réservoir avec moins de pertes de charge. Lorsqu'il est en opération, il est très silencieux. Il est d'installation simple et rapide d'accès pour le dépannage. La figure ci-après illustre le symbole utilisé pour le limiteur de pression.

Limiteur de pression avec tiroir de balance de pression :

La pression se bâtit dans la chambre (A) ; le fluide circule par l'orifice (Y) et équilibre cette pression dans la chambre (B). De la chambre, le fluide circule par l'orifice (X) et bâtit la pression en face du clapet de réglage de la soupape.

L'orifice (V) est bloqué. Lorsque la pression atteint le niveau de tarage du ressort (T), le clapet recule et laisse circuler une partie du fluide vers le réservoir (R) par l'orifice (Z) dans le centre du tiroir principal, créant ainsi une baisse de pression dans la chambre (B) de la soupape.

Cette baisse de pression dans la chambre oblige le tiroir à se soulever et laisse ainsi la grosse partie du fluide en trop s'écouler dans le réservoir (R).

Symbole du limiteur de pression avec tiroir de balance de pression :

Le schéma suivant (figure suivante) représente une installation hydraulique comprenant un limiteur de pression.

Application :

La société Rexroth fabrique un modèle qui fonctionne sur le même principe que le limiteur à tiroir de balance de pression de Vickers.

Il porte le numéro de modèle DB. Rexroth le symbolise de la façon suivante (figure suivante).

Symbole du limiteur de pression piloté par hydraulique :

Limiteur de pression à commande électrique :

Le limiteur de pression à commande électrique est un limiteur régulier à tiroir de balance de pression sur lequel a été ajouté un distributeur à commande électrique.

Ce distributeur est alimenté par l'orifice (V) sur les modèles Vickers et par l'orifice (X) sur les modèles Rexroth. La figure suivante vous montre le principe de l'installation Vickers. Dans ce cas, la pompe est libérée de la pression par l'action de la soupape.

Mise à pression nulle par distributeur :

Ce type de démarrage à pression nulle d'une pompe est un exemple typique d'application.

L'activation de l'électro-aimant (A) place le distributeur dans la position 2. La pression de la ligne pilote (V) chute alors et provoque l'ouverture du tiroir principal par lequel le liquide s'écoule vers le réservoir.

Coups de bélier :

Lorsqu'un fluide liquide circule dans une conduite et se déplace à une certaine vitesse, il génère une énergie cinétique causée par le déplacement d'une masse de fluide à une certaine vitesse.

L'arrêt de circulation, occasionné par la fermeture soudaine d'une soupape, transforme cette énergie cinétique en effet de choc dans la conduite.

Ce choc se produit aussi lors de l'ouverture et de la fermeture du limiteur.

Pour remédier à ces coups de bélier, on installe entre le tiroir principal et le clapet de réglage ou de purge du limiteur, une plaque d'amortissement appelée anti-bélier.

Le fonctionnement de cet anti-bélier s'apparente à celui d'un régulateur de débit avec orifice d'étranglement en aval.

Pressions multiples :

En utilisant l'orifice de dépressurisation (V dans les modèles Vickers et X dans les modèles Rexroth), il est possible d'avoir un limiteur qui réponde à plusieurs limites de pression.

Sur le modèle (figure suivante), vous remarquez qu'à la position centrale du distributeur, la pression du circuit est équivalente au targe de la soupape R1.

En activant le solénoïde (A), la pression devient équivalente au targe le plus faible, soit R1 ou R2.

En activant le solénoïde (B), la pression est égale au targe le plus faible, soit R1 ou R3.

On peut donc obtenir trois pressions de limitation avec la même soupape de base.

Limiteur de pressions multiples :

Source : Vickers

Applications pour obtenir plusieurs limites de pression :

On obtient le même résultat en faisant fonctionner trois soupapes commandées par un contrôle de direction 4V.3P. (figure suivante).

Limiteur de pression Vickers à trois niveaux de pression :

Ce type de limiteur de pression peut trouver son application dans les exemples suivants :

Situation 1 : L'alimentation en puissance hydraulique d'une presse se fait par une pompe unique. On veut que le démarrage de la pompe s'exécute à faible pression. Par la suite, lors du déroulement du cycle de pressage, on doit disposer de deux niveaux de pression. Cette situation donne le schéma hydraulique suivant (figure suivante).

Exemple de tarage des ressorts 1, 2 et 3 :

Situation 2 : Lors de la sortie d'un vérin hydraulique, on désire que 80 % de sa course se fasse à vitesse élevée et le reste, à vitesse lente tout en gardant la possibilité d'une pression de travail adéquate. Cette fois, le schéma hydraulique devient (figure suivante) :

Variation de la vitesse et pression adéquate :

Dans cette situation, quand l'électro-aimant (a) est activé, au démarrage des pompes 1 et 2, les débits Qv1 et Qv2 se dirigent vers le point Y pour s'additionner et donner un débit maximal égal à la somme de Qv1 et Qv2. Par conséquent, les débits atteignent une vitesse maximale à la sortie du vérin.

Or, à 80 % de la course du vérin, un capteur achemine un signal électrique pour désactiver l'électro-aimant (a). Dès l'instant où le distributeur se situe dans son action de gauche, le conduit (Z) achemine le fluide vers le réservoir et ainsi dépressurise la soupape (5) qui ouvre et laisse passer tout le débit Qv2 vers le réservoir.

Le vérin, n'étant plus activité que par le débit Qv1, voit sa vitesse diminuer proportionnellement à la baisse de Qv2. La force du vérin n'est pas affectée, puisque la soupape (3) assure la pression de travail. Le clapet (4) isole les deux pompes l'une de l'autre.

 

Symboles graphiques pour les limiteurs de pression simples selon Rexroth et la norme DIN-ISO (figure suivante).

Symboles des limiteurs de pression simple de Rexroth :

Source : Rexroth

2. Soupapes de séquence

Un des montages les plus utiles en hydraulique, est celui des séquences.

Dans ce cas, il s'agit de faire fonctionner des actionneurs dans un ordre successif en séquence. Par exemple, un vérin pourrait retenir une pièce et un autre, venir la presser lorsque cette pièce est bien tenue.

Ce sont des soupapes qui permettent en principe l'alimentation d'un circuit secondaire lorsqu'une pression déterminée est atteinte dans le circuit primaire.

Ces soupapes sont normalement fermées. Elles sont toujours montées en série dans une conduite, contrairement aux limiteurs de pression qui sont montés en parallèle (dérivation).

De plus, ces soupapes utilisées comme séquence ont toujours un drain externe. La figure suivante (figure suivante) décrit le principe de montage.

Soupape de séquence :

En complément à la première définition donnée au début , sachez qu'une soupape de séquence ou de succession de mouvements est semblable à un robinet dont la commande est réglée par pression hydraulique (interne ou externe). En d'autres termes, elle constitue un distributeur automatique dont l'ouverture se déclenche à une pression précise et préréglée.

On peut aussi assimiler la soupape de séquence au limiteur de pression. Toutefois, à la différence du limiteur de pression, le fluide de pilotage d'une soupape de séquence doit être séparé de celui de la puissance. En effet, la soupape principale (le tiroir), ouverte grâce au pilote, ne libère plus le fluide dans une ligne de retour comme le limiteur de pression le fait, mais plutôt dans une ligne de circuit secondaire.

Ce genre de soupape (figure suivante) est utilisé lorsque le débit, qui est envoyé dans un vérin par exemple, est commandé par une variation de pression du circuit primaire.

Au début du cycle, le fluide est dirigé vers le récepteur de première séquence jusqu'à ce que la pression hydraulique dans le circuit primaire de la soupape soit égale ou supérieure à la valeur de tarage du ressort de la soupape. Vous remarquez sur le schéma que le tiroir principal se soulève et que le débit est dirigé dans le récepteur de seconde séquence.

Séquences, types R3 et R4 :

Source : Vickers

Ainsi, durant le fonctionnement de ce récepteur, la pression dans le circuit primaire reste au moins égale au tarage de la soupape. Ce type de composante doit toujours être monté avec un drain externe. Le débit passant par l'orifice primaire est isolé de l'orifice secondaire jusqu'à ce que la pression pilote appliquée sous le piston puisse vaincre la poussée du ressort de tarage de la soupape.

Les symboles utilisés par Vickers pour illustrer les soupapes de séquence (figure ci-dessous) et ceux de la compagnie Rexroth (figure ci-après).

Symboles des soupapes de séquence chez Vickers :

Symboles des soupapes de séquence chez Rexroth :

Applications sur les soupapes de séquence :

Afin de bien saisir le rôle des soupapes de séquence, voici une situation concrète où il s'agit d'installer deux actionneurs devant s'activer l'un après l'autre (figure suivante).

Utilisation d'une séquence :

Sur ce schéma d'implantation, examinez ce qui se produit lorsque le solénoïde (A) du distributeur (D) est activé.

La pression partant de la soupape de sécurité (R) se crée jusqu'aux points 1 et 2 en passant par le distributeur (D).

Le vérin (A) amorce alors immédiatement sa sortie. La sortie du vérin (A) se fait à une pression (P) moindre que le tarage du ressort de la soupape (S). Le fluide qui sort du point 3 est acheminé au réservoir en passant par la jonction 4 et le distributeur.

Lorsque le vérin (A) termine sa course, la pression augmente et atteint le tarage du ressort de la soupape (S). Le tiroir de cette soupape se soulève et ouvre le circuit secondaire afin d'acheminer le fluide vers le point 5. A ce moment, le vérin (B) exécute sa sortie et le fluide qui est évacué par le point 6 est acheminé au réservoir en passant par la jonction 4 et le distributeur.

Voyez maintenant ce qui se produit quand le solénoïde (B) du distributeur (D) est activé.

De la soupape de sécurité (R), le fluide est acheminé aux points 3 et 6 en passant par le distributeur (D) et la jonction 4. Les deux vérins exécutent alors une rétro-action simultanée. Le fluide, provenant du point 5, passe par le clapet et se retrouve au point 1 avec le fluide venant du point 2. La somme de pression de ces deux débits est acheminée au réservoir en passant par le distributeur.

La séquence est considérée simple puisque seulement les sorties des vérins appartiennent à une suite ordonnée d'opérations.

3. Soupape de réduction de pression

Si, à partir d'une unité de puissance comportant une seule pompe, on désire obtenir des pressions inférieures au circuit principal, on utilise une soupape de réduction de pression.

Il existe deux sortes de soupapes de réduction de pression :

  • à action directe ;
  • à tiroir auxiliaire.

Ces soupapes permettent de maintenir à leur sortie une pression constante inférieure à celle qui existe à leur entrée. Elles sont normalement ouvertes, contrairement aux limiteurs de pression ou aux soupapes de séquence.

Soupape à action directe :

Le fonctionnement d'une soupape à action directe est illustré ci-dessous (figure suivante).

Soupape de réduction de pression à action directe :

Comme vous le voyez, le fluide passe au travers de la soupape, sans aucune variation ou diminution de pression entre les points 1 et 2 puisque l'ouverture est toute grande.

Si la pression au point 2 augmente et dépasse celle déterminée par le tarage du ressort, elle donne naissance à une force supérieure à celle du ressort. Le tiroir se soulève et diminue l'ouverture de passage du fluide en créant une perte de charge (∆P), ce qui contribue à diminuer la pression au point 2 par rapport au point 1.

Si la pression au point 2 diminue, le tiroir revient légèrement vers sa position originale ; il prend une position d'équilibre entre la force provoquée par la pression de sortie et la force du ressort.

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