Ch. 5 - LES ELEMENTS DE CONNECTIONS ET DE CONTROLE
Contenu
Les éléments de connections et de contrôle : caractéristique et montage des flexibles, Les distributeurs, les valves de pression : Les limiteurs de pression, Les valves de séquences, Les valves d’équilibrage et de freinage, Les valves de décharge, les clapets, les clapets pilotés, les réducteurs de débit des vannes, des manomètres, accumulateurs et leurs maintenance.
I. Les canalisations
Les diverses canalisations assurent la liaison des différentes organes d'une installation hydraulique, elles peuvent être, selon le cas, rigides ou flexibles (souples).
Le choix des matériaux et des modes d'obtention est déterminant car il influe directement sur leur aptitude à :
résister aux pressions de fonctionnement
supporter les vibrations
ne pas contaminer le fluide en écoulement
ne pas subir de corrosion interne et externe
ne pas engendrer de grandes pertes de charge
Par ailleurs, leur dimensionnement est normalisé et obéit à une standardisation qui autorise l'utilisation immédiate des raccords normalisés.
1. Canalisations rigides
Il s'agit le plus souvent de tube sans soudure (étirage à froid) évitant ainsi, lors du cintrage, de faire apparaître des particules.
Matériau : - Tu 37 b (type standard) ⇔ E235 électro-zingué à l'extérieur - 35 Cr Ni Ti 72 - 40 (si risque d'oxydation important)
Les tubes doivent être livrés bouchés aux extrémités et remplis de gaz neutre. S'il n'en est pas ainsi il faut les nettoyer énergiquement avec de la soude pour enlever les particules organiques puis les rincer puis les nettoyer une nouvelle fois au tri chlore pour enlever les graisses.
2. Canalisations souples
Il s'agit d'élastomère renforcé de fibres métalliques soit en nappes soit en tresses, sur plusieurs couches. La température d'utilisation doit être comprise entre –40°C et +120°C.
Elles existent selon deux techniques de filage sur plusieurs couches : Tresse en acier
Figure 2: canalisations souples
Remarque :
Si l’on peut maintenir la main sur une canalisation flexible alors le fluide à l’intérieur est en dessous de 70°C.
2.1. Règles de montage des tuyauteries souples
Les canalisations souples, plus souvent appelées boyaux, sont utilisées en hydraulique pour raccorder des composantes relativement mobiles l’une par rapport à l’autre. On les utilise aussi dans les endroits ou se produit une vibration.
1) robe intérieure caoutchouc résistant aux huiles 2) tresse acier
3) robe extérieure caoutchouc résistant à l’abrasion et ambiance extérieure
Le tuyau à 1 ou 2 tresses métalliques est utilisé couramment en hydraulique pour les basses et moyennes pressions.
Nappe en acier
1) robe intérieure caoutchouc résistant aux huiles
3) 4 nappes acier isolées entre elles par des couches antifriction de caoutchouc synthétique
4) robe extérieure caoutchouc résistant à l’abrasion et ambiance extérieure.
Le tuyau 2 - 4 - 6 nappé tressé est identique au cas précédent, sinon que le fil d’acier est lui- même constitué de plusieurs petits fils tressés.
Figure 3 : montage des tuyauteries souples
1) La longueur d’une tuyauterie flexible droite, y compris les embouts, doit être égale à environ 8 fois le diamètre extérieur du tuyau pour les tressés et nappés métalliques;
2) le rayon de courbure de la tuyauterie sous pression de service ne doit pas être inférieur à celui indiqué ci-dessous;
Type d'installation Schéma
Installation sans mouvement
D = 2 fois la longueur de l'embout
Installation à mouvement perpendiculaire à l'axe du flexible
2
R C D
2
L π
Installation avec mouvement dans l'axe du flexible
L = 2 D + π R
L = 2 D + π R + C
2.2. Détermination du diamètre intérieur d‘une tuyauterie
Ci-dessous un abaque permettant de déterminer le diamètre intérieur du tuyau en fonction du débit (l/mn) et de la vitesse d’écoulement (m/s).
Exemple : pour un débit de 45 l/mn à une vitesse d’écoulement de 7,5 m / s, quel sera le diamètre intérieur du tuyau?
Tracer une droite joignant ces deux points. Le point d’intersection sur l’échelle des diamètres indique une valeur inférieure au module -8 (12,7 mm).
Il convient donc de choisir un tuyau de diamètre intérieur module -8 (12,7 mm).
* Les vitesses recommandées correspondent à des huiles ayant une viscosité maximale de 315 S.S.U. (9°E) à 38 °C fonctionnant à des températures comprises entre 18 °C et 68 °C.
3 . Conduites et raccordement
II - Les distributeurs 1. Fonction
Les distributeurs sont destinés, dans une utilisation hydraulique, à diriger le fluide (sous pression ou sans pression) dans certaines directions. Ils sont placés entre le groupe hydraulique et les actionneurs. Les plus utilisés sont les distributeurs à tiroir.
Figure 5 : distributeurs à tiroir
Le tiroir est une pièce de révolution rectifiée, possédant des gorges qui mettent en communication les différents orifices du distributeur.
Figure 6 : tiroir de distributeur
2. Principe de symbolisation
Figure 7 : Symbole normalisé du distributeur
Le nombre de positions
Le tiroir du distributeur peut prendre différentes positions. Chaque position est symbolisée par une case. A l’intérieur de chaque case, on indique les chemins que peut emprunter le fluide, ainsi que le sens d’écoulement.
Le nombre d’orifices
En se déplaçant dans l’alésage du corps, le tiroir vient mettre en communication les différents orifices du distributeur.
Ces orifices dont le nombre varie ont une désignation normalisée :
Arrivée de la pression : P
Retour au réservoir : R ou T
Utilisation (branchement des actionneurs) : A et B
Pilotages : X et Y
La désignation du distributeur se fait sous la forme : Distributeur « nombre d’orifice » / « nombre de position », nature du centre du distributeur si le nombre de positions est 3, type de commande.
Le type de commande
Le type de commande est le dispositif qui permet le déplacement du tiroir à l’intérieur du corps du distributeur. Il existe 4 sortes de dispositifs de commande. Ils sont représentés sur les côtés de la représentation symbolique du distributeur.
Figure 8: types de commande des distributeurs
3. Symbole des principaux distributeurs hydrauliques
Figure 9: symboles des principaux types des distributeurs hydrauliques et leur utilisation
4. Désignation normalisée des distributeurs
Figure 10. : Normalisation des principaux distributeurs et des dispositifs de pilotages correspondants
Figure 11: Exemple schématisation d'un distributeur 4/3 à commande électrique à centre fermé.
5 - Exemple d'installation
Remarque :
Préférer toujours un distributeur 4/3 avec centre ouvert pour limiter le couple au démarrage et ainsi limiter la casse de l’accouplement moteur électrique/pompe. On peut utiliser un distributeur à 2 positions si un seul actionneur est prévu dans le système.
La position centrale permet le plus souvent de bloquer (préférer un CAR piloté ou non) ou délester les actionneurs et surtout de permettre à la pompe de débiter vers le réservoir sans difficulté (pas de passage par le LdP principal).
Le distributeur ne permet pas, à lui seul, d’avoir un maintien stable, en position, d’une tige de vérin. les fuites interne de ce composant en sont la cause. Pour remédier à ce défaut, on utilise deux clapets anti-retour.
Commande d'un système à un ou deux vérins couplés avec arrêt et blocage en position déterminée.
La commande des deux vérins est assurée par un distributeur 4/3 à commande électrique à centre tandem. Dans ce montage, la particularité provient du fait que les deux tiges doivent pouvoir sortir et rentrer en même temps. L'arrêt doit en faire également en n'importe quelle position.
2. Dans cet exemple, la position médiane du distributeur est différente.
La tige de vérin doit pouvoir sortir, rentrer et s'arrêter en n'importe quelle position.
III- Appareils de contrôle de la pression (ou valves de contrôle de pression)
La nécessité de contrôle et de régulation de la pression maximale de fluide hydraulique est évidente en utilisant des valves de contrôle de pression, afin de protéger les différents éléments constituants l'installation.
Le contrôle de pression se fait par des soupapes de pression. Ces soupapes sont définies comme étant des composantes agissant d’une manière prédéterminée sur la pression d’un système dans une installation ou une partie d’installation hydraulique.
1. Valves de réglage de pression
1.1. Valve de réglage de pression à action directe (non pilotée)
Ces organes sont destinés à protéger les composants d'un circuit hydraulique contre les surpressions de toute origine qui peuvent apparaître. Ce sont les surpressions dues à des surcharges d'utilisation, mais dues aussi à toutes les phases transitoires du fonctionnement telles qu’accélération ou freinage.
La valve de limitation de pression est normalement fermée. Elle est commandée par la pression du circuit qu'elle protège. C’est pour cette raison qu’on les nomme aussi : limiteur de pression maximale ou soupape de sécurité.
Elle dirige le débit de la pompe vers le retour au réservoir lorsque la pression maximale prédéterminée (souvent appelée p0 ), ou pression de tarage, du circuit est atteinte.
La valve de limitation de pression peut être à action (ou commande) directe ou pilotée.
Figure 12 : Limiteur de pression à action directe
La valve de limitation de pression à action directe est telle que l'entrée et la sortie du fluide sont séparées par un clapet (à bille, à cône ou encore cylindrique). La pression du circuit agit sur une section de mesure, la force résultante est comparée à la force appliquée sur le clapet par un ressort taré. Si la force de pression est supérieure à la force élastique le clapet s'ouvre laissant passer de l'huile vers le réservoir.
Fonctionnement d'un limiteur de pression et caractéristique (p,Q)
Figure 13 : caractéristique (p,Q) d'un limiteur de pression
Supposons qu'en fonctionnement normal, la pression maximale induite par la charge appliquée au vérin soit de 65 bars et que la pression de tarage p0 soit réglée à 70 bars. En présence d'un débit Qlp
qui traverse le limiteur de pression, la pression maximale dans le circuit est supérieure à celle initialement prévue.
D’une part, la dissipation d'énergie est donc plus importante que prévue, mais de plus, dans le cas où la pression maximale induite par la charge appliquée au vérin serait de 80 bars, il apparaîtrait un dysfonctionnement flagrant, à savoir que le vérin peu se déplacer (à une vitesse inférieure à la vitesse normale) au lieu d'être arrêté.
Le limiteur de pression à commande directe a des limites d'utilisation qui se situent aux environs de 200 bars et aux faibles débits. Au delà on utilise des limiteurs de pression à commande indirecte.
1.2. Limiteur de pression à commande indirecte
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.
Schéma de principe
Figure 14 : principe de limiteur de pression à action indirecte Exemple de réalisation :
Le clapet est réalisé par une bille (8).
Le clapet (1) existe toujours mais ne reçoit qu'un faible débit dû à l'étranglement (6). Il assure toujours le pilotage mais un tiroir (4) permet l'essentiel du passage du fluide en cas de surpression. Le maintien en position du tiroir (4) est assuré par un ressort de faible raideur (5).
Dès qu'il y a une surpression le clapet s'ouvre créant une forte dépression du coté du ressort (5) permettant au tiroir de se déplacer pour laisser le fluide s'écouler.
1.3. Valves de réduction de pression
Le rôle du réducteur de pression est différent, il permet de limiter la pression dans toute une branche d'une installation, cette pression étant bien sûr inférieure à la pression délivrée par la pompe. Le schéma est donc différent.
Les valves de réduction de pression sont généralement utilisées pour réduire la pression dans une partie du circuit à une valeur inférieure à celle du circuit principal.
C'est une soupape de type normalement ouverte. Si la pression de sortie atteint le seuil défini par le tarage du ressort, le tiroir se déplace et diminue la section de passage du fluide. Le débit étant diminué, la pression aval diminue aussi. Le tiroir va prendre une position d'équilibre définissant une pression de sortie "constante".
Figure 16 : Réducteur de pression à commande directe Figure 17: Réducteur de pression à commande indirecte
Les commandes indirectes sont utilisées pour les grands débits. L'étage de pilotage est réalisé par un limiteur de pression à action directe.
Figure 18 : symbole d'un réducteur de pression à commande directe et pilotée
2. Valves de séquence
Une valve de séquence est employé pour contrôler un circuit secondaire. Après que le premier circuit a atteint un niveau de pression prédéterminé, la valve de séquence s’ouvre et laisse passer le fluide pour alimenter une deuxième séquence.
Pendant que le premier circuit exécute sa course, la valve de séquence est fermée et au repos. C’est l’augmentation de la pression à l’entrée qui va le faire ouvrir.
La valve de séquence a un montage semblable à celui des limiteurs de pression. La différence réside dans le fait qu’elle est disposée dans le circuit principal. Lorsqu’elle a atteint la pression ajustée, elle alimente un sous-système.
Ces valves permettent de vérifier qu’une action est terminée avant dans lancer une suivante. Elle effectue le rôle d’un franchissement d’étape de GRAFCET en intégrant :
le capteur associé à la réceptivité sous la forme d’un capteur de pression
la commande de l’action suivante sous la forme d’un distributeur qui alimente l’actionneur associé.
Par le principe du limiteur de pression, elles peuvent détecter un seuil de pression soit haut, soit bas.
Elles simplifient et fiabilisent la réalisation d’automatismes séquentiels utilisant la TPH.
P A
Exemple priorité donnée à un actionneur
Figure 19 : Exemple d'utilisation d'une soupape de séquence
On permet la manœuvre du vérin haut seulement si le vérin bas a son piston sorti et si la pression dans sa grande chambre atteint une valeur suffisante égale à p1, valeur d'ouverture de la valve de séquence.
Ce type de montage peut être utilisé dans le cas où on veut s'assurer qu'une pièce est serrée (grâce au vérin bas) avant de réaliser tout autre opération (à l'aide du vérin haut).
Figure 20 : symbole des types de valve de séquence
3. Les valves d’équilibrage et de freinage
On peut utiliser une valve de séquence pour rendre le déplacement d'un actionneur indépendant de la charge extérieure qui s'applique. On parle alors de valve d'équilibrage.
4. Soupape de décharge :
La soupape de décharge sert à libérer le fluide hydraulique dans le réservoir grâce à un pilote externe. Elle est utilisée dans les montage qui mette en évidence un montage de deux pompes qui peut fournir soit un gros débit à faible pression, soit un petit débit à haute pression. Dans le cas classique, c’est le débit de la grosse pompe qui est déversé au réservoir.
Le fonctionnement du tiroir principal est identique à celui de la soupape de séquence.
Figure 22: Décharge d’un circuit
IV- Les clapets : 1.Le clapet anti-retour
Fonction
Le clapet anti-retour a pour fonction d’autoriser le passage du fluide dans un sens et de le refuser dans l’autre, ou bien de maintenir une position en charge.
Comme son nom l'indique il permet le passage du fluide dans un sens et l'interdit dans l'autre.
Les clapets anti-retour sont souvent équipés d'un ressort dont le tarage permet d'autoriser le passage du fluide de A vers B à partir d'une pression minimale :
Figure 23 : Schématisation clapet anti-retour à action directe Exemple : décharge d'un circuit
Ce circuit à deux pompes permet d’obtenir une grande vitesse sous une basse pression en phase d’approche et une petite vitesse sous une haute pression en phase de travail.
• 0V1 : Limiteur de pression à pilotage externe par augmentation de pression.
• 0V2 : Limiteur de pression à action directe.
- En phase d’approche, 0V1 limite la pression à 20 bar et les débits des deux pompes vont côté fond du vérin.
- En phase de travail, la pression monte à cause de l’effort extérieur, ce qui provoque l’ouverture par le pilotage externe de 0V1 lorsque la pression dépasse 20 bar. Seul la pompe HP alimente le vérin avec un faible débit et une limitation de pression à 120 bar qui correspond au tarage de 0V2. La fermeture du clapet 0V3 isole la pompe BP. Le débit de cette pompe BP va à la bâche à une pression quasiment nulle.
2.Clapets anti-retour pilotés
Figure 23:Exemple de clapet anti-retour piloté (position ouverte) et son symbole
Exemple : verrouillage d’un récepteur dans une position donnée
V- Régulation de débit
En hydraulique la vitesse d’un actionneur est proportionnelle au débit qui l’alimente.
Pour contrôler sa vitesse, il faut donc contrôler la valeur de ce débit.
1. Fonction
Limiter, réduire ou la vitesse du débit dans un circuit hydraulique afin de régler la vitesse des actionneurs lorsque la charge est fixe.
Différents types.
• Limiteur de débit : Il permet de maintenir à une valeur donnée le débit, si la différence de pression aux bornes de cette valve est constante (charge sur l’actionneur constante).
• Régulateur de débit : Il permet de maintenir à une valeur donnée le débit, même si la différence de pression aux bornes de cette valve varie (charges sur l’actionneur variables).
• Diviseur de débit : Il permet d’alimenter, à l’aide d’un seul générateur de débit (pompe), plusieurs actionneurs.
Il existe des clapets avec tarage qui permet d’ouvrir le clapet à une pression donnée, ainsi que des clapets pilotés qui permettent le passage du fluide dans le sens inverse sur commande.
1V1 et 1V2 sont des clapets anti-retour pilotés, ils permettent d’immobiliser la tige du vérin au repos car ils ne permettent le passage de B vers A que s'il y a de la pression dans leurs pilotages.
Le passage de A vers B est toujours possible.
Pression :
0 = absence de pression ; 1 = présence de pression.
Composant hydraulique : 0 = pas de passage de l’huile ; 1 = passage de l’huile.
2. Le limiteur de débit
Figure 24:Exemple de limiteur de débit
Le limiteur de débit (étrangleur) est un appareil qui permet de réaliser, au point où il est placé, un étranglement réglable ou non. Le sens de circulation du fluide dans un étrangleur est indifférent.
On peut agir sur la valeur du débit en interposant une restriction sur le circuit du récepteur dont on veut réguler la vitesse. Pratiquement cela peut être un robinet à pointeau ou un simple orifice calibré.
Il existe deux catégories d'étrangleurs : les uns sensibles à la viscosité, les autres insensibles à la viscosité; ces dernier se caractérisent par une largeur d'étranglement nulle, et de section non réglable ou réglable. Ils se représentent par des symboles différents.
Figure 25: Limiteur de débit sensible à la viscosité Figure 26:Limiteur de débit insensible à la viscosité
Figure 27: réalisation de limiteur de débit
Fonctionnement
Le fluide arrive en (A). Le clapet (2) est appuyé sur son siège. Le fluide passe par les orifices (5) et (6) du corps (1) jusqu’à l’étranglement (3). Celui-ci est formé entre le corps (1) et la douille réglable (4).
En tournant la douille (4) on modifie la section de l’étranglement (3).
Dans le sens inverse, le fluide agit sur la face avant du clapet (2) celui-ci recule vers (A). Le fluide passe librement de (B) vers (A).
3 - Le régulateur de débit :
Figure 28: régulateur de débit
Le régulateur de débit comprend deux éléments montés en série : - un tiroir (1) appelé balance de pression
- un étrangleur (2) et un ressort (3) souvent à paroi mince
Le but de la balance de pression (1) est de maintenir une différence de pression constante de chaque côté de l’étrangleur (2), indépendante des variations de pression (p3) créées par les fluctuations de charge sur le vérin.
réglage sur l'entrée de l'actionneur
Ce dispositif de réglage ne peut être utilisé que si la charge tend à freiner de façon régulière le piston. Si la charge peut devenir motrice, ce principe de régulation ne peut plus être utilisé., car rien dans ce cas ne retiendrait le piston.
Réglage en sortie de l'actionneur
Ce dispositif, quant à lui, peut être utilisé dans tous les cas de régulation de vitesse, même si la charge peut devenir motrice. Dans ce cas, le piston est maintenu entre deux volumes d’huile sous pression.
à poids
4 - Le diviseur de débit :
La synchronisation des mouvements de 2 ou plusieurs vérins est un problème souvent difficile à résoudre. Une des solutions consiste à utiliser des diviseurs de débit.
Ces appareils permettent de diviser le débit principal en 2 débits identiques, par l’intermédiaire d’un tiroir équilibré qui maintient une différence de pression égale aux bornes des 2 orifices de même diamètre.
La division de débit est utile pour synchroniser deux actionneurs. La solution présentée ci contre est régulée.
Il existe aussi des diviseurs constitués de deux ou plusieurs corps de pompes accouplées sur un même arbre. Chacun est traversé par une partie du débit à diviser.
Son rôle est simple, il doit diviser le débit entrant en deux parties toujours proportionnelles.
Figure 29: diviseur de débit
Exemple de réalisation :
Figure 30: réalisation de diviseur de débit
VI - Les accumulateurs
1. Intérêt et rôle d'un accumulateur
Une accumulation d'énergie hydraulique avec une possibilité de restitution rapide est souvent intéressante.
Le rôle d'un accumulateur est de stocker un certain volume de fluide sous pression pour le restituer en fonction des besoins. Ils sont aussi utilisés pour les commandes d'urgence (terminer un mouvement, actionner un frein,…) ou pour amortir les chocs dans les démarrages des installations.
Le principe : une chambre à deux orifices séparés par un élément étanche. L'un des orifices est relié au système et l'autre permet le remplissage avant utilisation d'un gaz générant un contre effort. Le gaz utilisé est l'azote (gaz inerte avec une bonne compressibilité).
2. Technologie et types d'accumulateurs Il en existe 3 familles d'accumulateurs :
- A poids
- A ressort
à ressort
utilisés dans le cadre d'applications industrielles très particulières.
- Hydropneumatiques :
• A membrane (soudée ou vissée).
• A piston ;
• A vessie ;
Figure 31 : Symboles accumulateurs
accumulateur liquide-gaz sans séparation
accumulateur à ressort
accumulateur à poids accumulateur liquide-gaz
avec séparation
Accumulateurs hydropneumatiques
A membrane A vessie A piston
Version soudée Version vissée
L’azote et l’huile sont séparés par une membrane élastique mais étanche. La pastille située en bas de la membrane empêche l’extrusion de celle-ci en cas de décharge brusque.
Forme approximativement sphérique, volume à restituer faible, bonne étanchéité.
Il est généralement réalisé en deux parties vissées l’une dans l’autre. Une membrane en élastomère compatible avec le gaz et le liquide sert de séparateur entre les deux fluides.
Il est également à noter que cette membrane ne travaille pas ou peu à l’allongement et qu’un dispositif fixé sur celle-ci évite son extrusion par l’orifice d’alimentation.
Il peut travailler dans toutes les positions avec un rendement identique et dans des plages de pression allant jusqu’à 500 bar.
L’azote sous pression est contenu dans une enveloppe appelée : vessie, qui isole l’huile de l’azote.
Le clapet installé vers l’arrivée d’huile empêche la vessie de se déformer jusque dans l’orifice d’arrivée d’huile; il empêche un phénomène d’extrusion. Ce clapet se ferme aussi si le débit maximum, pour lequel l’appareil est conçu, venait à être dépassé.
Cet accumulateur peut fonctionner dans n’importe quelle position:
Volume à restituer moyen, réaction rapide, bonne étanchéité et durée de vie.
Les deux parties de l’accumulateur sont isolées l’une et l’autre par un piston qui assure l’étanchéité.
Le piston est généralement muni d’un système de compensation d’usure des garnitures.
L’accumulateur à piston ne nécessite aucun entretien, ni regonflage. Il peut fonctionner dans n’importe quelle position, mais il est préférable de le monter verticalement (valve de gaz en haut), afin d’éviter le dépôt de particules polluantes véhiculées par l’huile sur les joints du piston.
Le volume à restituer est important, mauvaise étanchéité qui cause la variation de la pression du gaz à long terme. Temps de réponse important à cause de l’inertie du piston.
3. Dimensionnement d'un accumulateur hydropneumatique
La fonction d'un accumulateur est de stocker de l'énergie élastique sous forme d'un volume de fluide hydraulique sous pression.
L'énergie récupérable correspond donc au volume de fluide ΔV disponible lorsque l'accumulateur passe d'une pression minimale p2 à une pression maximale p3, soit ΔV.(p3-p2).
Figure 32 : les 3 états d'un accumulateur
Accumulateur à vessie
Etat 1 Etat 2 Etat 3
Phase 1: Gonflage de la vessie Phase 2: Utilisation de l'accumulateur
Phase 3: Charge de l'accumulateur
L’accumulateur est caractérisé par le volume d’azote V1 et la pression de gonflage de l’azote p1 .
En fonctionnement simple quand le système est au repos l’accumulateur est dans la configuration de l’état 1.
Il n’y a alors pas de fluide hydraulique dans l’accumulateur.
Quand le système fonctionne, si la pression dans le circuit hydraulique est supérieure à p1 alors le fluide hydraulique pénètre dans l’accumulateur.
Pour éviter de décharger complètement l’accumulateur de son huile et donc de mettre le clapet de protection en contact avec la vessie, on conserve dans la phase d’utilisation un petit volume d’huile dans l’accumulateur. On obtient alors la configuration de l’état 2.
On bloque la pression de gonflage < à la pression d’utilisation soit :
p1 = 0.9 × p2
Quand l’accumulateur est complètement chargé on obtient l’état 3. La pression du fluide hydraulique est au maximum et le débit excédentaire retourne au réservoir par le LdP.
Dans les accumulateurs à vessie pour éviter de trop déformer la membrane on limite : 3
p p
2
3
p1/V1/ T1 p2/V2/ T2 p3/V3/ T3
Le dimensionnement correspond donc à rechercher le volume V1 de l'accumulateur en fonction du besoin :
volume récupérable de fluide ΔV,
pression maximale d'utilisation p3, et pression minimale d'utilisation p2,
température de fonctionnement T2 et T3 . En général T2 = T3.
température de gonflage T1 à laquelle l'azote est introduit à une pression p1. L'accumulateur se présente donc physiquement sous 3 états :
au repos, le gaz occupe tout le volume intérieur. (p1 , V1 ,T1 )
à la pression minimale d'utilisation ( (p2 , V2 ,T2 )
à la pression maximale d'utilisation ( (p3 , V3 ,T3 )
Ces paramètres de pression p, volume V et température T sont liés par la loi d'état : T Cte
V p.
Si les évolutions de ces paramètres s'effectuent lentement, comme dans le cas de compensation de fuites, on peut considérer que le gaz reste à température constante est utiliser la loi de Mariotte :
Cte V p.
Si les évolutions sont rapides, on peut considérer que le gaz n'a pas le temps d'échanger de la chaleur avec le milieu qui l'entoure et que son évolution est adiabatique. En conséquence, la pression et le volume sont liés par le coefficient adiabatique avec la loi suivante :
Cte V
p. γ
avec γ :cœfficient adiabatique (γ = 1,4 pour l'azote)
En résumé il faut, pour déterminer un accumulateur, connaître : V1 : volume d’azote
p1 : pression de gonflage de l’azote
∆V = V2 – V3 : volume de fluide restituable par l’accumulateur
Détermination du volume restituable par l’accumulateur ∆V :
V3 V2 V1
p3
p2
p1
Sans accumulateur la pompe doit débiter au débit maximum soit Q3.
Avec accumulateur la pompe doit débiter au débit moyen soit Qmoy.
T t Q Q
i n
1 i
i moy
. avec
n
1 i
ti
T ; où :
Le volume ΔV est :
60
besoin du temps Q
V Q moy .
max avec : ∆V est en litre,
Q en l/min et le temps en seconde.
Le temps du besoin serait pour le schéma proposé t3.
Détermination du volume d’azote
Si la charge/décharge est rapide (cycle d’utilisation de l’accumulateur <1min) la transformation est adiabatique (température constante ou pas d’échange de chaleur entre le milieu extérieur et le système).
L’équation des gaz parfaits p.Vm.R.T, avec devient p.Vγ Cte
L’exposant γ est une fonction de la température et de la pression.
Au moment de la charge; le gaz passe de l'état 1 (p1, V1, T1) vers l'état 3 (p3, V3, T3) par une évolution adiabatique, on a :
p
1. V
1γ p
3. V
3γ Au moment de la décharge; le gaz passe de l'état 3 (p3, V3, T3) vers l'état 2 (p2, V2, T2) par une évolution adiabatique aussi, on a :
γ γ
2 2 3
3
. V p . V
p
D'autre part le volume que l'accumulateur doit restituer est : ∆V = V2 – V3 On a donc :
p1.V1γ p3.V3γ p3.V3γ p2.V2γ ∆V = V2 – V3
p3 : pression maximum du circuit (LdP ouvert)
p2 : pression du récepteur qui aura besoin de l’accumulateur p1 = 0.9 x p2
D'après ces relations, on obtient alors un calcul théorique du volume d’azote dont on a besoin :
1 1
V1 ΔV
ti : durée de la phase i
T : durée du cycle
Qi : débit de la phase i
p : pression absolue (Pa) m : masse (kg)
V : volume (m3) T : température (K) R = 297 J/kg.K pour l’azote
On détermine par la lecture dans un catalogue fournisseur l’accumulateur approprié. On aura sur celui-ci le volume d’azote nominal et le volume d’azote réel. C’est ce dernier qui permettra de calculer la pression de gonflage réel.
Détermination de la pression de l’azote p1: En utilisant les mêmes relations on obtient :
γγ
1γ 2 1γ
3 γ 1
3 2
1 V p p
V .Δ p . p p
4. Montage des accumulateurs
4.1. Précautions d’emploi des accumulateurs
Etant donné que l’accumulateur est un organe sous pression et qu’il présente des risques d’explosion représentant un danger pour les personnes étant à proximité, il faut donc mettre un dispositif d’évacuation des surpressions (aussi dans le cas d’augmentation de température) si elles apparaissent.
Protection des organes du circuit
• un clapet anti-retour sera placé entre la pompe et l’accumulateur afin d’éviter une éventuelle décharge de ce dernier vers la pompe au moment de l’arrêt de celle-ci,
• un limiteur de débit unidirectionnel permettra de contrôler la décharge de l’accumulateur,
• un limiteur de pression situé près de l’accumulateur préviendra toute surpression accidentelle.
Cette partie du circuit sera équipée d’un manomètre ou tout simplement une prise manométrique,
• on veillera à ce que la vessie soit compatible avec le liquide du circuit.
Protection du personnel
Avant toute intervention sur le circuit il est nécessaire d’isoler et de purger l’accumulateur. Selon le type d’installation, ces opérations pourront être manuelles ou seront automatiques.
Si l’on procède au dégonflage de vessies d’accumulateurs, on veillera à ce que les locaux soient bien aérés.
Figure 33 :Exemple d'utilisation d'un accumulateur
Chaque accumulateur doit être équipé des blocs de sécurité à installer directement sous l’appareil qui regroupent au minimum une vanne d’isolement, une vanne de purge, et un limiteur de pression.
Ce groupe ou bloc de sécurité est monté sur l’accumulateur sur le fond, du côté de l’orifice hydraulique.
Montage 1 : bloc de sécurité Il comporte :
un dispositif de limitation de pression qui agit sur la pression de l’huile dans l’accumulateur
un dispositif de vidange qui permet la mise au bac de l’huile contenue dans l’accumulateur
① limiteur de débit
② limiteur de pression
③ prise de pression
④ vanne de purge
⑤ vanne d'isolement
⑥ clapet anti-retour
Dans ce cas, un panneau d’avertissement doit être apposé visiblement et durablement à proximité du robinet de vidange. Il doit comporter les indications suivantes :
DANGER ACCUMULATEUR SOUS PRESSION VIDANGE MANUELLE
Montage 2 : bloc de sécurité Il peut également comporter:
une prise de pression permettant le raccordement d’un manomètre.
une commande manuelle pour le limiteur de pression, permettant la décompression progressive de l’accumulateur.
un robinet permettant d’isoler l’accumulateur du circuit de pression.
Dans ce cas, le système de vidange sera un électro-distributeur, ouvert au repos, qui assurera la vidange de l’accumulateur lors de l’arrêt du groupe générateur de pression.
5. Quelques exemples d' utilisation des accumulateurs
On peut citer quelques exemples pour lesquels on peut utilise des accumulateurs :
équilibrage de forces dues au poids d'éléments mobiles animés d'un mouvement vertical (outillage).
compensation de fuites sur des actionneurs soumis à des pressions élevés pendant une longue période.
Il est avantageux dans ce cas de pouvoir arrêter la pompe. Un manocontact maxi assure la mise en route ou l'arrêt de la pompe
① limiteur de pression
② manomètre
③ vanne d'isolement
④ vanne de décharge
⑤ raccordement pour prise de pression
⑥ électrovanne de décharge
⑦ limiteur de débit
⑧ dispositif de remplissage du gaz
Figure 34 :Exemple d'utilisation d'un
accumulateur en compensation de fuites
énergie de secours utilisée en cas d'arrêt imprévu d'une machine. Dans ce cas, il peut être nécessaire de finir certains mouvements pour amener les actionneurs dans des positions de sécurité.
Figure 37 : Variation du besoin en débit au cours d'un cycle Figure 36 : Amortissement des coups
de béliers
régularisation du débit des pompes dont le taux d'irrégularité du débit est important. Ce débit peut être régularisé en plaçant un accumulateur en sortie de pompe :
Amortissement des coups de béliers :
lorsqu'on interrompt un débit important ou qu'on libère un grand volume de fluide sous pression, il se crée des ondes de chocs qui peuvent être dévastatrices pour le matériel. On peut amortir ces ondes en disposant un accumulateur présentant un accès libre et une sortie contrôlée au travers d'un limiteur de débit. (comme pour une suspension automobile)
Accumulation et restitution d'énergie :
Dans de nombreuses installations, le débit utilisé subit de grandes variations au cours du cycle de la machine. Si on utilise une pompe à cylindrée constante seule, il faut que son débit minimal permette de satisfaire le besoin maximal du cycle. Cela impose une puissance installée surdimensionnée et un gaspillage d'énergie par laminage dans le limiteur de pression par lequel est évacué tout le débit excédentaire.
Figure 35 : Réduction du taux d'irrégularité d'une pompe
La plupart des pompes volumétriques utilisées en hydraulique ayant un régime de débit pulsatoire engendrent un régime pulsatoire de pression provoquant des vibrations.
Figure 38 :Amortisseur hydraulique
6. Mise en service et maintenance des accumulateurs
La mise en service d’un accumulateur neuf est subordonné à une première épreuve dans les conditions soumises à la réglementation. Ils sont éprouvés à une pression égale à 4 fois la pression d’utilisation, sous la responsabilité du fabricant.
Le propriétaire est tenu d’assurer les nettoyages, réparations et remplacements nécessaires. Ces appareils doivent être visités périodiquement à la demande de l’utilisateur.
Une nouvelle épreuve est obligatoire tous les 10 ans.
Une nouvelle épreuve est obligatoire tous les 5 ans, dans les cas où la face interne est en contact avec :
- un gaz autre que l’azote
- un autre fluide autre qu’une huile minérale spécialement destinée aux transmissions hydrauliques
- avant une nouvelle épreuve, une visite intérieure est obligatoire.
La pression de remplissage en gaz doit être portée sur chaque accumulateur, sous la responsabilité de l’utilisateur.
Le gaz de gonflage de l’accumulateur est de l’azote. En aucun cas de l’air ou un autre gaz ne doivent être utilisé
risque d’explosion.
Amortissement de chocs :
Les chocs mécaniques dans les machines commandées hydrauliquement sont facilement absorbées par un accumulateur. Cette méthode d'amortissement des chocs est utilisée par exemple dans les concasseurs, les moissonneuses batteuses, les grues automotrices, les suspensions de véhicules, ...
Annexe 1
Valves de contrôle de pression - exemples d'utilisation Ces appareils de pression qui se ressemblent…
Le limiteur de pression
La soupape de séquence
La soupape
antichoc
ou anti surpression
La soupape d’équilibrage
Monté en Normalement fermé dérivation de sortie de pompe Piloté sur l’entrée
Drainé interne
Normalement fermé Piloté sur l’entrée Drainé externe Fonctionnement
1ère étape : sortie grande vitesse : les débits de 1WP et 2WP s’additionnent.
2ème étape : la pression monte, 1RP s’ouvre 1WP débite toute seule : forte pression.
Montée en dérivation entre le récepteur et le distributeur.
Exemple :protection d’un moteur à deux sens de rotation.
- 1 RA
- 1 NP protègent contre les surpressions.
- 2 NP
- 3 NP protègent contre la cavitation.
- 4 NP
Pour les deux sens de rotation du moteur hydraulique
- 5 NP contre-pression pour gavage par 3 NP et 4 NP
tarage 1 RA > 1RP
Pilotée sur l’entrée montée en série sur la sortie du récepteur drainée externe.
Utilisée quand la charge est motrice.
Pour tarer 1RB :
au repos, 1RB tare au maxi, relever sur 1G la pression engendrée par la charge ;
détarer 1RB jusqu’à ce que la charge commence à se déplacer ;
tarer jusqu’à ce que la charge s’arrête, faire faire 1/ 2 tour de plus à la vis ;
essayer, la pression en 1G doit être supérieure d’environ 10% à la pression engendrée par la charge.
Le réducteur de pression
Normalement ouvert. Piloté sur la sortie, monté en série, drainé externe ou interne, dans ce dernier cas la contre- pression est interdite sur T. Il peut être à action directe ou piloté. Il sert à maintenir dans un circuit secondaire une pression pratiquement constante, mais inférieure à la pression d’entrée même si cette dernière varie.
