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Introduction L’homme a toujours utilisé la force de l’eau pour faciliter sa tâche de travail. Un bon exemple, c’est le transport des billots de bois par les rivières ou les moulins à farine. Il est évident qu’à l’époque le changement de voie d’un cours d’eau n’était pas toujours simple, mais à l’aide de barrage et de système de déviation il arrivait à de bon résultat. Aujourd’hui, la technologie ainsi que l’expérience de nos ancêtres fait que le changement de voie d’un liquide se fait à l’aide d’une soupape directionnelle. Il est évident qu’on ne pourra passer des billots de bois à travers celle-ci, cependant au lieu d’utiliser plusieurs ouvriers pour ouvrir un échangeur, on aura qu’à utiliser une soupape directionnelle qui fera agir des actionneurs qui à leurs tours déplaceront l’échangeur.

Dans ce document nous verrons différents types de soupapes à tiroir directionnelles et leurs utilisations. Type de soupape directionnelle à tiroir :

- Soupape directionnelle à commande manuelle; - Soupape directionnelle à pilotage hydraulique; - Soupape directionnelle à commande électrique; - Soupape directionnelle à commande électrohydraulique; - Soupape directionnelle à commande proportionnelle de type « Standard »; - Soupape directionnelle à commande proportionnelle de type « Servo ».

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Les soupapes directionnelles à tiroir (distributeur) Les soupapes directionnelles, sont des équipements qui commandent la mise en route ou l’arrêt d'un circuit. Un distributeur est habituellement muni d’un tiroir ou d’une vanne à sièges (la vanne à siège ne sera pas traité dans ce document). Une soupape peut également posséder plusieurs orifices qui déterminent les chemins que prendra le fluide pour orienter les mouvements d’un actionneur. Pour chacun des actionneurs (vérins, moteurs, etc.), on associera une soupape directionnelle et on la nommera préactionneur (soupape situé entre la partie commande et la partie puissance d’un schéma hydraulique). Les soupapes directionnelles sont constituées d’un corps contenant plusieurs orifices et d’un tiroir pouvant prendre plusieurs positions dont une seule est active.

Les positions sont représentées par les carrés et le nombre de carrés corresponde au nombre de positions que peut se déplacer le tiroir interne de la soupape directionnelle. Soupape à 2 positions Soupape à 3 positions Les orifices (voies), sont représentés par des tirets. A

P

A B

P T

A

P T

Soupape à 2 voies Soupape à 3 voies Soupape à 4 voies Identification des orifices ; A et B pour la direction du fluide. P pour pression et T pour le retour au réservoir.

A

PEntrée

Sortie

La direction du fluide et ses restrictions sont inscrits dans le carré. Une flèche représente le sens du passage et une ligne interrompue signifie une position fermée. La ligne située au-dessous et en dessous indique que la soupape est de type proportionnelle.

A

PEntrée

Sortie

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Tiroirs symétriques et non symétriques Une soupape directionnelle peut comprendre un tiroir symétrique ou non symétrique. Un tiroir symétrique restreint les deux circuits d’écoulements également, ce qui permet à la soupape de contrôler le liquide hydraulique à l’entrée et à la sortie. Dans le cas du tiroir non symétrique, la restriction se fait que dans un orifice à la fois, l’écoulement se fera de B à T ou de A à T. L’utilisation d’un tiroir non symétrique à la sortie se traduit par une moins grande restriction exercée sur l’écoulement. En conclusion, cette option permet de préciser ainsi que d’améliorer le contrôle du débit du système. Cette option est disponible sur les soupapes directionnelles proportionnelles.

Tiroir symétrique

Tiroir non symétrique

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Types de commandes les plus utilisées

Types de commande Commande

Symbole Image

À levier

Électrique

Électrique variable

électrohydraulique

Pilotage hydraulique Commande de contre-réaction

À galet

Par retour à ressort

Commande manuel

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Configuration du centre de la soupape directionnelle La configuration du centre de la soupape permet de diriger le fluide lors de l’état repos de la soupape. Exemple de centre régulièrement utilisé en industrie : La soupape à centre tandem permet de bloquer la charge lorsque ses orifices A et B son en position centrale, en plus de fournir un retour du fluide au réservoir (P vert T) sans générer d’effort, ce qui permet une meilleure efficacité énergétique du système.

Représentation des orifices d’une soupape à tiroir Symbole Diagramme interne Vue sous la soupape

P

T

A B

La soupape à centre fermé, permet de bloquer la charge lorsque ses orifices A et B son en position centrale, en plus de bloquer tout entrée de fluide à l’intérieur de celle-ci ce qui la rend plus sécuritaire lors de sa fermeture.

Représentation des orifices d’une soupape à tiroir Symbole Diagramme interne Vue sous la soupape

P

T

A B

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Configuration du centre de la soupape directionnelle (suite) La soupape à centre semi-ouvert (chaise inversé), permet de bloquer l’entrée du fluide (P) et de laisser ses orifices A et B ouvert lorsque celle-ci est en position centrale. Puisque que les orifices A et B ne sont pas bloqués et que le fluide se dirige vers le réservoir (T), le piston d’un vérin ou d’un moteur branché à ses ports serait libre de se déplacer. Un moteur branché à un tel dispositif peut s’arrêter doucement, sans cavitation, ce qui protège le moteur ainsi que sa charge.

Représentation des orifices d’une soupape à tiroir Symbole Diagramme interne Vue sous la soupape

P

T

A B

Bloc (Manifold) Comme les orifices de la soupape sont situés sous la soupape et que ces orifices ne sont pas adaptés pour recevoir la tuyauterie, vous devrez installer celle-ci sur un réceptacle Bloc (Manifold) permettant l’insertion de la tuyauterie. Ce bloc permet aussi de superposer une ou plusieurs soupapes. Ce type d’installation permettra de réduire les pertes de charges causées par les tuyaux.

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Choix de la soupape directionnelle Avant de procéder à l’installation d’une soupape directionnelle il devient important de valider certaines informations, comme; Identifier le nombre de port a utilisée; On parle ici du nombre d’orifice situé à l’extérieure de la soupape. Identifier le type de pilotage (ce qui déplacera le tiroir de la soupape), pilotage hydraulique, manuel, électrique, électrohydraulique ou proportionnel. Identifier le type de contre-réaction (retour à sa position initiale); électrique, par ressort, manuel. Identifier le type tension; vérifier la compatibilité du système versus celui du solénoïde de la soupape. Si ils ne sont pas compatibles, il se peut que vous devrez opter pour des composantes supplémentaires ce qui occasionnera des coûts supplémentaires ainsi qu’une augmentation des pannes pour le futur. (Tension utilisé en industrie un courant alternatif ou courant continu de 12 à 120 volts) Identifier le nombre de position; le nombre de position augmente les possibilités d’action de la soupape, en générale on retrouve de deux à quatre positions, les plus communs sont de trois. Lorsqu’on nomme une soupape 4/3, c’est qu’on identifie le nombre de port 4 et le nombre de position 3 possible. Identifier le type de direction; pour une soupape à trois positions le sens du fluide dépend essentiellement de ses extrémités et le centre agît lorsque la soupape est au repos. Identifier le type du tiroir; le type tiroir aura un impact sur les courbes de performances désirées par la soupape. Ce choix repose entièrement sur les tableaux d’essai fourni par le fabricant. Identifier la pression du système; Une pression trop élevée trop réduira les performances de la soupape. Vérifier avec la charte du manufacturier les pressions recommandées par le manufacturier. En principe la pression de P vers A, n’est pas la même que celle de B vers T (réservoir). Identifier le débit du système versus celui de la soupape, celle-ci doit être similaire. Une soupape dont le débit est trop élevée pour le système, sa rapidité d’action sera réduite considérablement. Tandis qu’une soupape trop petite surchauffera. Identifier le type de joint utilisé par la soupape; les joints doivent être compatible avec le type d’huile et la température du système. Une incompatibilité pourrait endommager les joints provoquant des fuites externes dans le système.

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Exemple Tableau fournit par le fabricant (modèle T.O.R)

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Tableau des performances (Modèle T.O.R)

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Soupape directionnelle à commande manuelle

Ce type de soupape est régulièrement utilisé sur les machines mobiles, comme les surfaceuses, les pelles mécaniques, etc..

Son fonctionnement et sa précision repose sur l’opérateur, en effet à partir d’un effort de la main sur un levier, l’opérateur sera en mesure de choisir la direction du fluide tout en contrôlant le débit passant par les orifices de la soupape.

Symbole

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Soupape directionnelle à pilotage hydraulique

Type de commande permettant de contrôler une soupape directionnelle à distance à l’aide d’un fluide. On retrouve surtout ce type de soupape sur les machines automatisées dont la seule commande disponible est à partir d’un système fluidique.

Le déplacement du tiroir se fait lorsque la pression appliquée sur la surface du tiroir est supérieure à l’effort de poussée du ressort.

Symbole

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Soupape directionnelle à commande électrique Type de commande permettant de contrôler une soupape directionnelle à distance à l’aide d’un système électrique. Le principe de fonctionnement d’une commande électrique repose sur une composante nommé solénoïde. Celui-ci est composé d’un fil enroulé autour d’une armature créant ainsi un champ magnétique lors de la réception de la commande. Une partie du tiroir métallique est située dans le champ magnétique du solénoïde. Lorsque le solénoïde est sous tension il créer un champ magnétique qui attire (comme un aimant) le tiroir métallique (spool) et compresse le ressort laissant ainsi la totalité du fluide circulé à l’intérieur de la soupape. Cette pièce métallique retourne à sa position initiale grâce à un ressort lorsqu'on cesse toute alimentation dirigeant ainsi le fluide vers une autre direction. À la mise hors tension de l'électroaimant, le tiroir est poussée par son ressort, puis reprend sa position initiale.

1. Le solénoïde 2. Le ressort 3. Le tiroir 4. Champ magnétique

Symbole

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Soupape directionnelle à commande électrohydraulique

omme le nom l’indique la commande d’une soupape électrohydraulique utilise deux types e commandes pour déplacer le tiroir de la soupape. La première est électrique et la seconde st hydraulique.

a commande électrique est utilisée pour alimenter une micro soupape (situé à l’intérieur de soupape) permettant ainsi au fluide ce circulé à travers celle-ci. Le fluide ainsi libérer

ircule à l’intérieur d’une petite canalisation (nommé pilotage) se dirigeant vers la surface du

e

ien.

our une soupape (T.O.R) à commande hydraulique à 0 pressions le déplacement du tiroir est ul. Sous pression le déplacement du tiroir est de 100%.

our une soupape (T.O.R) à commande électrique ou électrohydraulique à 0 volts le

tionnelle. Le débit circulant à l’intérieur de celle-ci est proportionnel à l’effort que opérateur appliquera sur le levier. Cependant, la réalité est tout autre, pour être

Cde Llactiroir. Lorsque la pression devient supérieure au ressort de rappel le tiroir se déplace, laissant ainsi lfluide circulé à travers la soupape.

Symbole

Soupape de type Tout Ou Rien (T.O.R)

Qu’est ce qu’une soupape T.O.R? En réalité ce sont les soupapes expliquées précédemment sauf celle à commande manuelle. Les lettres T.O.R signifie Tout Ou Rien, comme leur commande, la commande envoie Tout Ou rien et la soupape laisse passer Tout le débit ou R Pn Pdéplacement est nul. Sous tension le déplacement du tiroir est de 100 %. Pour une soupape manuelle, on peut dire à la limite qu’elle est de type variable ou proporl’proportionnelle la commande doit être électrique.

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Soupape directionnelle à commande proportionnelle La soupape directionnelle à commande proportionnelle est née du besoin de réaliser une

par

mande sera de type variable. Cette variabilité permettra à la soupape d’ajuster l’ouverture/fermeture du tiroir au signal de commande. Autrement dit; le déplacement du tiroir de la soupape sera proportionnelle à la commande. Donc pour que le tiroir puisse se déplacer proportionnellement à la commande on devra opter pour un solénoïde proportionnel, sa conception interne sera différente d’un solénoïde de type T.O.R. Contrairement au solénoïde TOR, le solénoïde proportionnel ne pourra être brancher directement sur la tension, on devra passer par une carte amplificatrice électronique qui transformera une commande variable (ex : 0 à 10 volts) en un courant (de 0 à 2 amp) suffisamment élevé pour activer le solénoïde proportionnel. Certains modèles de soupape seront munis d’un solénoïde et la contre-réaction se fera par un ressort. D’autres modèles se feront par deux solénoïdes proportionnels agissant sur chacun des côtés du tiroir et l’exemple ci-dessous fonctionne à partir d’un solénoïde proportionnel déplaçant le tiroir de chacun des côtés. Le déplacement de gauche ou à droite du tiroir dépend essentiellement du type de tension c’est-à-dire une tension positive ou négative. Pour une commande ayant une tension positive le tiroir ce déplacera dans un sens, puis pour une commande ayant une tension négative le tiroir (spool) se déplacera dans le sens opposé. Se déplacement peut se faire grâce à une concentration des champs magnétiques tels qu’illustrée ci-dessous.

Dans cette figure on peut remarquer le champ magnétique du solénoïde. Les carrés gris (1) représentent les aimants permanents. Ligne bleue représente le flux magnétique (2) et les lignes violettes (3) représentent le flux magnétique généré par le courant du solénoïde. Remarquer que le flux magnétique de gauche est supérieur à celui de droite. Par conséquent cette déformation du courant permettra au tiroir (spool) de se déplacer vers la droite.

commande variable et plus précise que la commande manuelle ou que la commandesolénoïde. Contrairement à la commande de type TOR, la com

Déplacement du tiroir

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Soupape directionnelle à commande proportionnelle de type « Standard »

peut se faire à partir de deux composantes soient; une soupape directionnelle et un

gulateur de débit.

aison

- Chaque fois que l’opérateur désire une nouvelle vitesse de l’actionneur

série occasionne des pertes de charges;

nelle Mais ces coûts supplémentaires seront rapidement

mortie par l’amélioration des performances de vos systèmes.

faire varier la vitesse à partir d’une commande électrique variable;

-

niveau de polarité de la commande.

Réduction des pertes de charge dans le circuit.

En hydraulique, lorsqu’on désire commander la direction et la vitesse simultanément d’unactionneur ré Ce type de circuit comporte l’avantage d’être simple robuste et peu coûteux (en comparavec un système proportionnel). Cependant, il comporte certains désavantages comme :

on doit réajuster le régulateur; - Dans des applications où l’actionneur doit fonctionner à différentes

vitesse durant une séquence on doit utiliser plusieurs régulateur;

- Le nombre de composantes installer en

La soupape directionnelle peut s’avérer plus coûteuse à l’achat qu’une soupape directionet un régulateur de débit conventionnel.a Comment peut-on faire cela? C’est simple, la soupape directionnelle proportionnelle peut à lafois diriger le sens du fluide et contrôler son débit, deux composantes en une. En réalité;

- La soupape à commande proportionnelle peut

La soupape à commande proportionnelle peut diriger le sens de l’actionneur à partir en modifiant le

-

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Particularité d’une soupape à commande électrique vs proportionnelle

Ressorts de contre-réaction située à n

Deux solénoïdes

l’intérieur de la chambre de dérivatioDeux connecteurs DIN

Tiroir à rainure droite

Tiroir à rainure en V

Deux solénoïdes proportionnels

Carte amplificatrice

d’une seule commande

contrôlant deux solénoïdes proportionnels à partir

Deux connecteurs DIN

Ressorts de contre-réaction située à l’extérieur de la chambre de dérivation

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Exemple de type standard

à carte a

Deux solénoïdes proportionnels mplificatrice dédiée

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Deux solénoïdes proportionnels à carte amplificatrice intégrée

Le contrôle de la vitesse de la benne à ciment;

- La manutention; - Les machines commandées par un automate (API);

r (contrôler la vitesse des rouleaux); ;

Type d’application

Ce type de soupape permet différente application industrielles comme :

- - Le moulage par injection;

- L’industrie du papie- Les batteuses agricoles- Etc..

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Soupape directionnelle à commande proportionnelle de type « Servo »

a soupape directionnelle à commande proportionnelle de type Servo utilise une technologie ressemblant à celle de l’électrohydraulique et la précision des composantes est d’autant supérieure à ce euse.

ontrairement au modèle proportionnel standard, le mécanisme du tiroir n’est pas déplacé irectement par le champ magnétique du solénoïde variable, mais plutôt indirectement.

active un solénoïde perm

fluide se diriger sur les surfaces du tiroir, pe type Servo. Modèle « Servo » à buse-palette

contre-réaction mécanique

omme son nom l’indique ce type de soupape possède fonctionne à partir de deux buses et ne tige (feedback spring) et un système à palette.

Pour plus d’informati le document Hydraulique p ortio

L

lle d’un modèle standard, ce qui les rend plus fragiles et plus coût Cd

En réalité, sa commande ettant à un système mécanique de laisser le rmettant ainsi son déplacement dans un sens

comme dans l’autre. Exemple d’une soupape deà Cu

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on sur le proportionnelle vous pouvez-vous procurer rop nnel sur le site www.depannezvous.com