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MEC-743 Instrumentation et contrôle de procédés industriels 10 - Actionneurs hydrauliques et pneumatiques
Actionneurs hydrauliques etMEC-743, cours n°10Actionneurs hydrauliques et pneumatiques
Bsata, Instrumentation et automation, chap. 10
Objectifs de la séance
• Systèmes d’actuation hydrauliques: Pompes (à engrenages, à palettes et à piston)
Valves de distribution et de régulation
Vérins (simple et double action)
Moteurs hydrauliques
• Systèmes d’actuation pneumatiques: Compresseurs
Similarités et différences avec les systèmes hydrauliques
• Exemples d'applications
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Système hydraulique Système hydraulique
Soupape de décharge
Valve de distribution
Vérin
• Pression de fonctionnement pouvant atteindre quelques dizaines de MPa. En raison de cette grande pression, les systèmes hydrauliques sont utilisés dans les applications demandant une grande force ou une grande puissance mécanique.
• Puisque l'huile est essentiellement incompressible, il n'est pas possiblehydraulique
Pompe Filtre
de stocker une grande quantité d'énergie dans un réservoir pressurisé.La pompe doit donc être continuellement en opération pour que le système soit fonctionnel.
• Les systèmes hydrauliques fonctionnent en boucles fermés: après filtration, l'huile basse pression doit retourner au réservoir. L'utilisation de systèmes hydrauliques dans des applications où l'hygiène ou la sécurité pourrait être menacée par d'éventuelles fuites est donc limitée (industrie alimentaire, environnement comportant des étincelles ou des surfaces très chaudes, …).
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Système pneumatique Système pneumatique
Filtre et déshumidificateur
Régulateur Jauge de pression
Moteur
CourroiePompe
Poulie
Compresseur
Vers les valves et les vérins
RéservoirRéservoir
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Système pneumatique Hydraulique vs électrique
• Pression de fonctionnement beaucoup plus faible que dans les systèmes hydrauliques: 70 à 150 psi (480 kPa à 1.03 MPa). La force générée par les systèmes pneumatiques est donc beaucoup plus faible que celle générée par les systèmes hydrauliques.
• Les compresseurs ne peuvent pas fournir de grands volumes d’air pressurisé sur demande. C’est pourquoi l’air est comprimé dans des réservoirs au-delà de la pression de fonctionnement. Ces réservoirs agissent à titre d’accumulateur d’énergie potentielle ce qui permet leur utilisation dans applications mobiles autonomes.
Accumulateur
Réservoir Pompe Manomètre Débitmètre Limiteur de pression Distributeur Restriction Clapet anti-
retourMoteur Réservoir
• Les systèmes pneumatiques sont ouverts: le compresseur aspire et comprime l’air ambiant alors que les retours d’air usé sont rejetés dans l’atmosphère. Il est donc inutile de prévoir des lignes de retour.
• En raison de la compressibilité de l’air, les systèmes pneumatiques ne sont généralement pas utilisés dans des applications exigeant un positionnement précis.
A Régulateur M
V
Masse Source Voltmêtre Ampèremètre Régulateur de tension Interrupteur Résistance Diode Moteur Masse
Condensateur
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l’ contenue un
l’ est grâce l’ (aspiration)
Définitions
Pompes et compresseurs
Pompe hydraulique: appareils qui convertit l’énergie mécanique en énergie hydraulique en aspirant avec une très faible dépression l huile dans réservoir.
Pompe non volumétrique: pompe qui entraîne les fluides à grands débits et faibles pressions (absence d’étanchéité entre l’entrée et la sortie de la pompe). Ex.: compresseur centrifuge ou à hélice. N'est pas utilisée dans les systèmes d'actuation hydrauliques ou pneumatiques.
Pompe volumétrique (positive displacement pump): pompe dans laquelle l écoulement est réalisé grâce à l augmentation (aspiration) et la diminution (refoulement) successives du volume d’une cellule (similaire à l’action d’une seringue). Permet la mise en œuvre de grandes pressions à de faibles débits.
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Pompe à engrenages
Pompes à denture externe
Pompe à engrenages
Pompes à denture interne
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Pompe à engrenages Pompe à engrenages
Pompes de type gérotor
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Pompe à palettes
• Basée sur l’utilisation de palettes (aubes) qui, sous l’action des forces centrifuges, coulissent radialement dans des rainures portées par le rotor.
• Le fluide est entraîné dans les cellules formées par l’excentricité entre le rotor et la couronne
Pompe à pistons axiaux
• Pompe basée sur des pistons dont la course est parallèle à l’axe de rotation.
• Le sens du débit est maintenu par des clapets anti-retour
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d' peuvent dans port pression la À
Échauffement fluide le des à comprimé hydraulique et frottement composantes
Pompe à pistons radiaux
• Pompe basée sur des pistons dont la course est perpendiculaire à l’axe de rotation.
• La course des pistons est provoquée par une came excentrique ou un vilebrequin.
Performances
Cylindrée (Dp): volume d’huile engendré (aspiré ou refoulé) pendant un cycle (un tour). Exprimée en m3/rad.
Vitesse de rotation (): vitesse de rotation de l'arbre d'entraînement de la pompe. Exprimée en rad/s.
Débit volumique (QV): volume d’huile débité par unité de temps.Exprimé en m3/s.
QV D
p
Différence de pression (Δp): capacité de la pompe à augmenter la pression du fluide qui la traverse. Exprimée en Pa.
Puissance hydraulique (PH): puissance utile transférée de la pompe au fluide qui la traverse. Exprimée en W.
PH QV p
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Performances
Niveau de bruit: une des sources importantes de bruit dans une pompe hydraulique provient de la cavitation du fluide. Des bulles d air entrer le basse de pompe. haute pression, ces bulles implosent produisant ainsi un bruit
Rendement
Rendement volumétrique (ηV): rapport entre le débit effectivement obtenu et le débit théorique (calculé avec la cylindrée). Les fuites sont responsables d'une diminution de
important.
• Augmentation de la pression d'entrée grâce à un pompe de
ce rendement.
QV
V D
charge
• Réduction de la viscosité de l'huile grâce au préchauffage lors d'un démarrage à froid
Échauffement du fluide: le rendement des systèmes à air comprimé est souvent très faible (20%) parce que la compression du fluide
p
Rendement mécanique (ηm): rapport entre lecouple théoriquement nécessaire pour produire la différence depression et le couple effectivement nécessaire. Les pertes de charge hydraulique internes et le frottement des composantes mécaniques sont responsables d'une diminution de ce rendement.
s'accompagne de son échauffement. La température de l'air comprimé peut varier entre 70 et 160°C.
Rendement global (ηg): g V
m
QV
p
T
Dp p
m
T
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Rendement Performances
Type Pression maximale (MPa)
Vitesse de rotation (rpm)
Cylindrée (cm3)
À denture externe 30 500 à 6000 0.2 à 200
À denture interne 30 500 à 3000 3 à 250
À palettes 10 1000 à 2000 5 à 100
À pistons 70 1000 à 3000 0.5 à 100
Denture externe Denture interne Gérotor Palettes Pistons
Référence: Cetinkunt, fig. 7.30, p.309
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Caractéristiques
Type Caractéristiques Applications
À denture externe • Incompatible avec les fluides abrasifs
• Faible prix de revient• Fonctionnement silencieux
À denture interne • Compatible avec des fluides caractérisés par une grande variation de viscosité
• Fonctionnement silencieux
À palettes • Compatible avec des fluides peu visqueux
• Auto-compensée pour l’usure des aubes (rendement constant)
À pistons • Robuste• Plus chère
• Pompe de lubrification• Élévateur hydraulique mobile• Doseur
• Presse hydraulique• Machine outil• Élévateur (installation fixe)• Industrie alimentaire
• Fluide réfrigérant• Vide partiel
• Presse hydraulique
• Machine outil• Machines de mise en forme
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Valves
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commande
Clapet anti-retour
Dispositif destiné à empêcher le passage d’un fluide en sens inverse du sens normal de fonctionnement
Valve de distribution
Dispositif permettant d’aiguiller un fluide vers une ou plusieurs voies de passage. On distingue trois sortes de distributeurs: les distributeurs à tiroir, les distributeurs à clapets et les distributeurs rotatifs
Débit d’huile
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Distributeur à tiroir Désignation des distributeurs
2 positions 3 positions
tiroir
T A P B T A P B
2 voies
3 voies
4 voies
Le schéma à l’intérieur du tiroir représente le branchement entre les voies
centre fermé centre ouvert
Principe deCommande par solénoïde et retour par ressort
Fluide sous pression
Retour
P: Entrée du fluide sous pressionT: Retour vers le réservoir
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t t
A: Ligne A B: Ligne BCommande par pression pilote(hydraulique ou pneumatique)
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f
Commandes mécaniques Exemple de distributeur
Mécanique générale Galet
Manuel général Bouton-poussoir
Levier Pédale
Moteur M Avec accrochage
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Distributeur pilote Principes de commande
• Lorsque de grandes forces sont nécessaires, le distributeur est commandé par un autre distributeur, plus petit, qui fonctionne à plus basses pressions.
• Ce petit distributeur est appelé pilote. Commande mécanique directe
Distributeur pilote commandé
mécaniquement
Distributeur pilote commandé
électriquement
Commande électrique directe
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Référence: Cetinkunt, fig. 7.14, p.293
f )
l i d fl id
Action pilotée Distributeur pilote
Valve pilote
Valve principale
T A P B
Fluide sous pression Pression au pilote Retour
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Vanne de réglage (servo valve)
Dispositif permettant le contrôle du débit d’un fluide en variant la section allouée à son passage (contrôle de la
Types de vanne
À soupape À pointeau
restriction au passage du fluide).
2
corps
obturateurbobine
ressort
QV A
P
siège pointeauÀ tiroir
où : coefficient de débit d’écoulementA: section du passageP: perte de charge non récupérable: masse volumique du fluide À membrane
À papillon
M
À bille
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Actionneur mécanique
Les vérins hydrauliques / pneumatiques
Vérins
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Animation Vérin pneumatique
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2 Roulements à rouleaux
Symbolisation
Simple effet Double effet(tige rentrée au repos)
Simple effet(tige sortie au repos)
Double effetNon amorti
Amortissement variable
Double effet(double tige)
Double effet(tige télescopique)
Moteurs hydrauliques
Double effetAmortissement avant et arrière
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Moteur hydraulique Actuateur rotatif à ailette
1. Arbre d'entraînement2. Roulements à rouleaux3. Came à angle fixe4. Cellules hydraulique - déplace le diaphragme grâce à l'huile pressurisée5. Diaphragme6. Valve d'entrée7. Valve de sortie8. Valve de régulation de pression Introduction to Mechatronic Design, fig. 27.13
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Actuateur rotatif à crémaillère Organe de préhension
Introduction to Mechatronic Design, fig. 27.15
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Accumulateur hydraulique
Autres composantesRéserve de fluide sous pression destinée à emmagasiner et à restituer de l'énergie hydrostatique. Permet d'adoucir les variations de pression provoquées par de brusques variations de débit ou de puissance hydraulique.
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