pneumatique_2

Lyce Lislet Geoffroy Cours sur la pneumatique 2TSELEC, 2004 2005

L.ISAMBERT, 22/04/2005 Nom fichier : pneumatique.doc Page 1 / 18

Pneumatique Les performances sans cesse amliores des Systmes Au-tomatiss de Production (SAP) doivent beaucoup aux Trans-missions Olo-hydrauliques et Pneumatiques.

Le domaine couvert est vaste, tous les secteurs dactivit sont concerns : automobile, aronautique, arospatiale, marine, trains et mtros sur rail, et divers autres moyens de transport ; lectrotechnique et lectronique ; industries agro-alimentaires ; industries ptrolire, chimique et pharmaceu-tique ; gnie civil, btiments et travaux publics ; industrie mcanique, machines-outils, assemblage, manutention ; spectacle, thtre, manges forains ; mdecine, quipements de dentisterie, quipements hospitaliers

Ligne de conditionnement Ravoux

Bras manipulateur Shradder Bellows

Hydraulique et pneumatique ont des champs dapplication qui diffrent par les proprits du fluide sous pression quelles utilisent : un liquide pratiquement incompressible pour lhydraulique, un gaz trs compressible pour la pneu-matique. Cest pourquoi ces deux techniques font lobjet dtudes spares.

Lemploi de lnergie pneumatique permet de raliser des automatismes avec des composants simples et robustes, notamment dans les milieux hostiles : hautes tempratures, milieux dflagrants, milieux humides

1 Lnergie pneumatique

1.1 O trouve-t-on lnergie pneumatique ?

Synoptique dun S.A.P. [5]

On trouve lnergie pneumatique essentiellement dans la chane daction dun Systme Automatis de Production.

1.2 Le fluide pneumatique Le fluide pneumatique le plus couramment utilis est de lair dont la pression usuelle demploi est comprise entre 3 et 8 bars (soit 3.105 8.105 pascals, lunit de pression du sys-tme international SI). Dans certains cas, on peut utiliser de lazote.

Lair comprim est utilis comme fluide nergtique (air travail ou air moteur) pour alimenter des actionneurs (v-rins et moteurs pneumatiques). Il peut aussi intervenir dans une chane de contrle ou de mesure (air instrument). De plus, il peut tre en contact direct avec le produit dans un processus de fabrication (air process) ou avec les utilisa-teurs (air respirable) avec des risques possibles de conta-mination et dintoxication.

Exemples : - Aration, brassage, pressurisation de cuves ; - Transport pneumatique de produits lgers ou pul-

vrulents ; - Refroidissement, pulvrisation, soufflage ; - Remplissage de bouteilles de plonge, hpitaux,

etc.

1.3 Les diffrentes nergies de puissance

Pneumati-que Hydraulique Electrique

Production Compresseur 1 par atelier Compresseur1 par systme Rseau EDF

Liaison Tubes, flexibles

(pertes de charge selon distance et forme)

Cbles, fils

Rendement 0,3 0,5 0,7 0,9 0,9 Comparaison des diffrentes nergies de puissance [5]

1.4 Pneumatique contre Hydraulique Hydraulique :

- Force suprieure 50 000 N. - Positionnement intermdiaire et prcis des vrins. - Vitesse davance rgulire (car lhuile est incom-

pressible).

Chane daction

P 300 bar

Rappel : 1 bar = 1 daN / cm 105 Pa



Pneumatique : - Force infrieure 50 000 N. - Installation peu coteuse (production centralise de

lair comprim) - Transport du fluide plus simple et beaucoup plus

rapide (maxi de 15 50 m/s contre 3m/s pour lhydraulique)

1.5 Pneumatique contre lectrique Quand on est face lalternative, les actionneurs pneumati-ques seront prfrs aux actionneurs lectriques :

- Si les temps de rponse ne sont pas critiques (10 20 ms minimum)

- Pour des machines squentielles simples. - Dans les milieux hostiles (hautes tempratures,

milieux dflagrants ou humides, etc) - Pour leur faible cot dentretien. - Qualification minimale requise pour la mainte-

nance.

1.6 Circuit pneumatique

Synoptique dun circuit pneumatique [5]

1.7 Dfinition des pressions

Graphique des pressions [2]

Pression atmosphrique normale de rfrence (ANR) : pres-sion atmosphrique de 1013 mbar, 20C et 65 % dhumidit relative.

Pression relative ou effective : pression positive ou ngative par rapport la pression ANR.

Pression absolue : pression par rapport au vide absolu. Pression absolue = pression relative + pression atmosphri-que normale.

Pression atmosphrique normale = 1 atm = 760 mmHg = 1, 0132.105 Pa = 1, 0132 bar 1 bar.

Dpression ou vide relatif : pression relative ngative par rapport la pression ANR.

Pression diffrentielle = p = p2 p1.

Remarque : La pression absolue est gale, approximative-ment, la pression relative augmente de 1 bar.

Attention : sur le terrain, on mesure des pressions relatives (manomtriques), mais dans les formules, on utilise les pressions absolues !!!

1.8 Production dnergie pneumatique Elle est assure par un compresseur, anim par un moteur lectrique. Ce compresseur intgr est constitu dun filtre, du systme de compression de lair, dun refroidisseur-asscheur et dun dernier filtre. La pression de sortie est de lordre de 10 bars. Un rservoir permet de rguler la consommation.

Production de lnergie pneumatique [5]

Symbole du compresseur intgr [5]

1.8.1 Pourquoi purifier lair ? Lair souill peut causer des problmes ou des dgts dans le rseau dair comprim. Un air pur garanti le bon fonc-tionnement des composants connects, tels les distributeurs et les vrins. La fiabilit dune installation pneumatique dpend de la qualit de lair comprim.

1.8.2 Qui sont les pollueurs ? Les pollueurs sont essentiellement :

- les particules solides (poussire, suie, produits dabrasion et de corrosion, ) que lon peut clas-sifier en fonction de leur taille (grosses > 10 m, petites de 1 10 m et trs fines



1.9 Rseau de distribution de lair

Exemple de rseau de distribution dnergie pneumatique [5]

La distribution dnergie pneumatique se fait par canalisa-tions rigides relies par des cols de cygnes pour viter de recevoir des impurets ou de leau pouvant sjourner dans les conduites.

Cols de cygne chaque raccordement [3]

Pour supprimer ces impurets ou ces eaux stagnantes, il y a des purgeurs au point bas de chaque raccordement, et les canalisations ont une lgre pente.

Une lgre pente sur chaque canalisation [3]

1.10 Conditionnement de lair 1.10.1 Unit FRL Avant dutiliser lair, il faut le filtrer, lasscher, le graisser et rguler sa pression. Ainsi, avant chaque SAP (Systme Automatis de Production), on place une unit de condition-nement FRL (appeles aussi Tte de ligne ) qui adapte lnergie pneumatique au systme.

Cette unit FRL est constitue dun Filtre, dun mano-Rgulateur et dun Lubrificateur.

Photo dune unit FRL [3]

Le filtre sert asscher lair et filtrer les poussires.

Le mano-rgulateur sert rgler et rguler la pression de lair.

Le lubrificateur sert viter la corrosion et amliorer le glissement.

1.10.2 Sectionneur Afin de mettre le systme en ou hors nergie, on utilise un sectionneur pneumatique. Cest une vanne de type 3/2, qui peut tre manuvre manuellement ou lectriquement.

Son rle est disoler le circuit pneu-matique du systme par rapport la source, et de vider ce circuit lors de la mise hors nergie.

1.10.3 Dmarreur progressif Il assure une monte progressive de la pression dans linstallation en agissant sur la vitesse de remplissage du circuit. Mont en sortie du FRL et avant le sectionneur g-nral, il protge les personnes dune brusque remise en service des actionneurs.

Monte progressive de la

pression [3].

Unit de conditionnement FRL et ses symboles [5]



2 Actionneurs pneumatiques Les actionneurs pneumatiques convertissent lnergie de puissance pneumatique en nergie mcanique de translation, de rotation ou daspiration.

Leurs principales caractristiques sont : la course, la force et la vitesse.

Parmi les actionneurs pneumatiques, on retrouve principa-lement les vrins, les moteurs et les ventouses.

2.1 Force disponible Avec lair comprim, on dispose dune nergie potentielle exploitable sous forme statique ou sous forme dynamique par transformation en nergie cintique.

2.1.1 Force statique

Dfinition de la force statique [2]

En faisant agir lair comprim sur une face immobile, on obtient une force statique Fs proportionnelle la pression p et sa surface daction S :

Force statique : SpFs = avec la force Fs exprime en daN, la pression p de lair comprim en bars et la surface S en cm.

Dfinition de la force statique pour un vrin [2]

Exemple : Soit un vrin double effet de diamtre intrieur 50 mm et de diamtre de tige 20 mm, avec une pression de 6 bars. La force statique tige sortie (cf. figure prcdente) vaut :

8,1174564

== dpSpFs daN Pression del'air comprimOrifice l'air libre

Force statiqueFs=PxS

En rentre de tige (cf. figure ci-dessus), la section est gale Svrin - Stige :

( ) ( ) 5,162544 22 == tigevrin ddS cm do la force statique tige rentre :

995,166 = SpFs daN

2.1.2 Force dynamique Si la face est mobile en translation, la force dynamique Fd obtenue pendant le mouvement est plus faible car elle d-pend des forces qui sopposent son dplacement : force lie la pression oppose (dite contre-pression), force de frottement, force dinertie.

Dfinition de la force dynamique [2]

On a alors lexpression suivante :

Force dynamique : = rd FSpF Avec la force dynamique Fd et la somme des forces rsistan-tes Fr exprimes en daN, la pression p de lair comprim en bars et la surface S en cm.

Force dynamique dun vrin [2]

Les vrins pneumatiques permettent de mettre en application ces deux relations.

2.1.3 Utilisation en statique et dynamique La force statique Fs ne pose pas de problme de calcul puis-que toutes les variables sont connues, du moins pour le vrin double effet (pour le vrin simple effet, voir 2.2.1). Pour que le vrin soit exploitable, il suffit que sa force statique Fs soit suprieure la charge statique Cs oppose (force de blocage ou de serrage) :

Force statique Fs > Charge statique Cs

Il nen est pas de mme de la force dynamique. A dfaut de connatre les forces de frottement et dinertie propres au vrin, on dfinit son rendement comme le rapport de la force dynamique sur la force statique. Les mesures montrent que est compris entre 0,8 et 0,95 suivant le type de vrin, ses dimensions, la pression et le fonctionnement sec ou lubrifi. On peut donc, faute de connatre le rendement exact du vrin, estimer la force dynamique en prenant pour la valeur minimum de 0,8.

Do : Force dynamique Fd = Force statique Fs x 0,8

Pour que le vrin ait un comportement acceptable, il faut que sa force dynamique Fd soit suprieure la charge dy-namique Cd oppose ( force dynamique rsistante) :

Force dynamique Fd > Charge dynamique Cd

2.1.4 Taux de charge t Pour tre certain dutiliser le vrin dans de bonnes condi-tions, on dfinit le taux de charge t. Cest un paramtre qui tient compte la fois des effets de la contre-pression et des frottements internes ; son emploi limine les risques de broutements.



Taux de charge t =s

ech

FF arg

Avec Fcharge : effort vaincre pour dplacer la charge ; et Fs : pousse thorique (p.S)

En pratique : 0,5 taux de charge t 0,75. Le taux de 0,5 est usuel.

2.2 Les vrins Ils transforment lnergie dun fluide sous pression en ner-gie mcanique (mouvement avec effort). Ils peuvent soule-ver, pousser, tirer, serrer, tourner, bloquer, percuter,

Exemples dutilisation :

Transfert

Serrage

Arrt

jection

Marquage,assemblage,formage.

Pivotement

Bridage

Elevation Leur classification tient compte de la nature du fluide, pneumatique ou hydraulique, et du mode daction de la tige : simple effet (air comprim admis sur une seule face du piston), double effet (air comprim admis sur les deux faces du piston)

Les vrins pneumatiques utilisent lair comprim, de 2 10 bars en usage courant. Du fait de la simplicit de mise en uvre, ils sont trs nombreux dans les systmes automatiss industriels. Remarque : une grande quantit de fonctions complmen-taires peut leur tre intgre : amortissement de fin de course, capteurs de position, dispositifs de fin de course, dispositifs de dtection, distributeurs, guidage,

2.2.1 Vrins simple effet (VSE) Lensemble tige-piston se dplace dans un seul sens sous laction du fluide sous pression. Le retour est effectu par un autre moyen que lair comprim : ressort, charge, Pendant le retour, lorifice dadmission de lair comprim est mis lchappement.

Principes de ralisation et symboles normaliss

Vrin simple effet classique, rappel par ressort [1]

Vrin simple effet plat diaphragme [1]

Vrin simple effet membrane, rappel par ressort [1]

Vrin simple effet soufflet [1]

Avantages : les vrins simple effet sont conomiques, et la consommation de fluide est rduite.

Inconvnients : course gale, ils sont plus longs que les vrins double effet ; la vitesse de la tige est difficile rgler en pneumatique et les courses proposes sont limites (jus-qu 100 mm).

Utilisation : travaux simples (serrage, jection, levage, emmanchements, )

Force statique dveloppe : il faut tenir compte de la force Rc du ressort comprim, do : cs RSpF =

Force statique dveloppe par un VSE en fin de sortie de tige [2]



2.2.2 Vrins double effet (VDE) Lensemble tige-piston peut se dplacer dans les deux sens sous laction du fluide sous pression (air comprim).

Leffort en poussant (sortie de la tige) est lgrement plus grand que leffort en tirant (entre de la tige) car la pression nagit pas sur la partie de surface occupe par la tige.

Principe de ralisation

Vrin double effet [1]

Avantages : plus grande souplesse dutilisation ; rglage plus facile de la vitesse, par contrle du dbit lchappement ; amortissements de fin de course, rglables ou non, possibles dans un ou dans les deux sens. Ils offrent de nombreuses ralisations et options.

Inconvnients : ils sont plus coteux.

Utilisation : ce sont les vrins les plus utiliss industrielle-ment, ils prsentent un grand nombre dapplications.

Amortissement de fin de course : cet amortissement est indispensable aux vitesses ou cadences leves et sous for-tes charges. Si des blocs en lastomre suffisent lorsque lnergie amortir est modre, les dispositifs avec tampons amortis-seurs sont recommands aux plus hautes nergies. Ds que le tampon entre dans son alsage, le fluide lchappement est oblig de passer par lorifice B plus petit, au lieu de lorifice A. La rduction du dbit provoque une surpression crant lamortissement.

Vrin double effet amortissement non rglable [1]

Vrin double effet amortissement rglable [1]

Principe du rglage de dbit [1]

2.2.3 Principaux vrins spciaux Ce sont des variantes des cas prcdents et prsentent les mmes options possibles : amortissement,

Vrin tige tlescopique : simple effet et gnralement hydraulique, il permet des courses importantes tout en conservant une longueur replie raisonnable.

Vrin simple effet tige tlescopique[1]

Con

stitu

tion

dun

vr

in p

neum

atiq

ue d

oubl

e ef

fet

am

ortis

sem

ent r

gla

ble

des d

eux

ct

s [1]



Vrin rotatif : lnergie du fluide est transforme en mou-vement de rotation ; par exemple, vrin double effet entra-nant un systme pignon-crmaillre. Langle de rotation peut varier entre 90 et 360. Les amortissements sont possi-bles.

Exemple de ralisation dun vrin rotatif (unit de couple) [1]

Multiplicateur de pression : souvent utilis en olopneu-matique, il permet partir dune pression dair (p en X), dobtenir un dbit dhuile une pression plus leve (P en Y : 10 20 fois plus leve que p). Il est ainsi possible dalimenter des vrins hydrauliques prsentant des vitesses de tige plus prcises.

Multiplicateur de pression [1]

Vrin sans tige : Cest un vrin double effet pneumatique. Il est deux fois moins encombrant quun vrin classique tige, lespace dimplantation est divis par 2.

Exemple dun vrin double effet sans tige

avec amortissement des deux cts [5]

Symbole : Proprits : pas de rotation de la tige ; vitesse de dplace-ment pouvant tre leves (3 m/s et plus) ; courses possibles trs grandes (7 m et plus) ; pas de problme li au flambage de la tige ; efforts et vitesses identiques dans les deux sens mais tanchit plus fragile. De nombreuses variantes et combinaisons sont possibles : assemblages croiss

Vrin double tige :

Exemple et symbole dun vrin double tige [5]

2.2.4 Caractristiques des vrins a) Efforts thoriques exercs :

A partir de la pression dutilisation, on calcule les efforts thoriquement dveloppables en sortie ou en entre de tige.

Effort en poussant [1]

Effort en tirant [1]

Exemple 1 : Soit un vrin pneumatique avec D = 100 mm, d = 32 mm, calculons les efforts thoriques exercs en poussant et en tirant si la pression dalimentation est de 7 bars.

En poussant : Fthorique = p.S = P..R = 550 daN En tirant : Fthorique = p.S = P..(R-r) = 493 daN Remarque : avec un vrin hydraulique de mmes dimen-sions sous une pression de 240 bars, F =18850 daN et F = 16920 daN (34 fois plus).

b) Rendement : Les frottements internes au vrin (joints dtanchit et bagues de guidage)amnent une perte dnergie et une baisse du rendement (perte de 5 12 % pour les vrins pneumatiques de bonne construction)

Exemple 2 : Reprenons les donnes de lexemple 1. Si le rendement est de 88 % (perte de 12 %), leffort rellement disponible en poussant est :

.Fthorique = .p.S = 0,88 . 550 = 484 daN = Fthorique - Ffrottements



c) Contre-pression dchappement : Elle est employe pour rgler et rguler (maintenir cons-tante) la vitesse de la tige ; le rglage est obtenu par des rgleurs placs lchappement. Cette contre-pression, de 30 40 % de la valeur de la pression de dmarrage en pneumatique, amne un effort antagoniste supplmentaire.

Les diffrentes pressions mises en jeu dans un vrin [1]

La courbe PA prsente lvolution de la pression dans la chambre dadmission du ct oppos la tige. La pression monte progressivement puis atteint le seuil maximal infrieur ou gal la pression p. La pression au moment du dmarrage dpend de leffort rsistant lextrmit de la tige. Puis la sortie de tige a lieu. La pression chute alors dans la chambre A et sa valeur va dpendre de la vitesse du vrin. En fin de course, la pression remonte la valeur p.

La courbe PB figure lvolution de la contre-pression dans la chambre lchappement du ct de la tige. La pression chute de la valeur p la valeur de la contre-pression, se maintient cette valeur pendant la course puis devient nulle trs peu de temps aprs larrt du vrin.

Remarques : la pression de dmarrage est la pression n-cessaire la mise en mouvement de la charge. La pression motrice, plus petite, est celle quil faut pour maintenir le mouvement vitesse constante. La pression damortissement freine la charge en fin de course. La pression efficace est la pression rellement utile pour dplacer la charge (celle qui donne Fcharge).

d) Taux de charge : Pour tre certain dutiliser le vrin dans de bonnes condi-tions, on dfinit le taux de charge t. Cest un paramtre qui tient compte la fois des effets de la contre-pression et des frottements internes ; son emploi limine les risques de broutements.

Taux de charge t =s

ech

FF arg

Avec Fcharge : effort vaincre pour dplacer la charge ; et Fs : pousse thorique (p.S)

En pratique : 0,5 taux de charge t 0,75. Le taux de 0,5 est usuel.

Exemple 3 : Reprenons les donnes de lexemple 1 avec un taux de charge de 0,6. La charge que peut rellement dplacer le vrin, en poussant, la vitesse envisage et dans de bonnes conditions est :

Fcharge = 0,6 x 550 = 330 daN = Fthorique Ffrottements Fcontre-pression

Les pertes dues aux frottements et la contre-pression slvent : 550 330 = 220 daN.

2.2.5 Fixations et montage des vrins Les fabricants proposent une gamme importante de fixations pour implanter les vrins. Deux fixations suffisent en gn-ral : une lavant en bout de tige (cas A, B, C) ou sur le fond avant (D, E, F) plus une larrire (G, H, I) ou au milieu (J, J, J).

Fixations usuelles des vrins [1]

Suivant les fixations choisies, la position du vrin et les charges exerces, certains calculs de vrification (flambage, flexion) peuvent devenir ncessaires. Par exemple, un flambage, mme faible, rduit fortement la dure de vie dun vrin. Souvent, il suffit dutiliser des abaques tablis par le constructeur.



Tiges de vrins soumises aux efforts de flexion et au flambage[2]

2.2.6 Dtermination dun vrin a) Donnes ncessaires :

Pression demploi, efforts fournir dans les deux sens, en poussant et en tirant, cadence ou vitesse de la tige, condi-tions de services : amortissement et nergie cintique

21 vmEc = dissiper

Soit un vrin servant au transfert de pices, sous une pression de 6 bars. A lissue des calculs de statique et de dynamique, leffort que doit dvelopper le vrin est de 118 daN en poussant.

b) Taux de charge : Une fois le type choisi (vrin simple effet, vrin double effet, vrin spcial, ), partir des donnes, il va falloir dterminer le diamtre D de lalsage. Le diamtre de tige d dpend de D (normes).

Cest ici que le taux de charge t entre en jeu. Le taux de charge usuel est de 0,5, cest dire que le vrin va travailler 50 % de ses capacits.

tFFncessaire =

Dans notre exemple, avec un taux de charge de 0,5, le vrin devra tre capable de dvelopper en poussant :

daNtFFncessaire 2365,0

118 ===

Alsage et course dun vrin [1]

c) Diamtres et course : La course du vrin est fonction de la longueur de dpla-cement dsire. On peut limiter extrieurement la course dun vrin trop long, par une bute, fixe ou rglable, ou par le travail raliser (serrage, marquage, ). Pour calculer le diamtre D de lalsage, il faut dabord calculer la section S, avec Fncessaire et la pression p de lair comprim :

pFS ncessaire=

Dans le cas du transfert de pices, la section du vrin devra donc tre au moins gale :

33,396236 cmp

FS ncessaire == La section S scrit en fonction du diamtre D : 4

DS = on en dduit le diamtre SD = 4 Do, pour notre exemple, le diamtre D ncessaire :

mmcmD 7108,733,394 = Il va ensuite falloir choisir le diamtre parmi les diamtres normaliss. Deux solutions sont possibles :

- soit on choisit un diamtre lgrement infrieur, et le taux de charge sera plus grand,

- soit on choisit un diamtre lgrement suprieur, et le taux de charge sera plus petit. Mais mmes ca-ractristiques, un vrin de diamtre suprieur co-tera plus cher.

Il faudra dcider au cas par cas, en faisant en sorte que le taux de charge ne soit pas trop diffrent de celui spcifi par le cahier des charges.

D Vrin (mm) 8 10 12 16 20 25 32 40 D Tige (mm) 4 4 6 6 10 12 12 18

D Vrin (mm) 50 63 80 100 125 160 200 250D Tige (mm) 18 22 22 30 30 40 40 50

Diamtres normaliss des vrins [8]

Dans notre exemple, nous choisirons un diamtre D gal 80 mm, ce qui nous donnera un taux de charge t de 0,39.

39,0

486

118

4

=

== DpF

SpFt

Exemple 1 :

Transfert



Une autre mthode pour dterminer le diamtre dun vrin consiste utiliser les abaques du constructeur donnant les efforts dynamiques dvelopps par le vrin en fonction de son diamtre et de la pression relative.

Efforts dynamiques dvelopps par un vrin [8]

Pour utiliser ces abaques, il faut choisir si le vrin travaille en rentre de tige ou en sortie de tige , et prendre labaque correspondant. Il faut dfinir le point de rencontre entre leffort dynamique calcul et la pression dalimentation.

Le diamtre du vrin sera celui dont la courbe passe par ce point. Si le point est entre deux courbes, il faudra faire un choix comme prcdemment entre un vrin plus petit, moins cher et dont le taux de charge sera suprieur 0,5, et un vrin plus gros, plus cher, dont le taux de charge sera inf-rieur 0,5. Il conviendra donc de recalculer le taux de charge.

Dans notre exemple, le vrin doit dvelopper 236 daN en poussant (ce qui inclut un taux de charge de 0,5), sous une

pression de 6 bars. Nous allons donc choisir les abaques des efforts dvelopps en sortie de tige. Comme prcdemment, nous avons le choix entre les diamtres 63 et 80 mm. Si nous choisissons un diamtre D de 80 mm, le taux de charge t sera de 0,39.

d) Amortissement : Une masse M en mouvement une vitesse v possde une nergie cintique Ec = * M.v, quil faut dissiper en fin de course.

Les vrins non amortis doivent tre rservs aux faibles courses, ou associs des amortisseurs extrieurs.

Les vrins standard disposent de dispositifs damortissement rglables dont les capacits sont limites. Si le vrin arrive en fin de course, il convient de vrifier quil peut absorber lnergie cintique des masses en mouvement. Pour cela, il faut utiliser les abaques constructeur : on dfinit le point de rencontre entre la vitesse de dplacement et la masse d-placer. Pour amortir cette charge, il faudra utiliser le vrin dont la courbe passe par ce point, ou le vrin dont la capaci-t damortissement est immdiatement suprieure celle ncessaire.

Capacits damortissement des vrins standard (daprs Schneider

Tlmcanique) [10]

Si le vrin ne peut pas absorber cette nergie, il faut soit choisir un vrin de diamtre suprieur, soit disposer damortisseurs extrieurs, ou encore diminuer la vitesse de dplacement de la charge si cela est permis.

e) Dure de vie : Il convient de se reporter aux catalogues des constructeurs, ou leurs services techniques, pour vrifier cette contrainte.

2.3 Autres actionneurs pneumatiques 2.3.1 Moteurs Il existe plusieurs moyens pour produire un mouvement de rotation continu laide dun dbit dair comprim.

Le plus courant est le moteur palettes qui est frquemment utilis dans les outillages pneumatiques (visseuses, meuleu-ses, perceuses, clefs chocs, etc.).

Pres

sion

rel

ativ

e (e

n ba

r)

Pres

sion

rel

ativ

e (e

n ba

r)

Efforts dynamiques (en daN)

Efforts dynamiques (en daN)



Principes de fonctionnement et schmas :

moteur palettes et moteur palettes un sens de rotation [5] [10] deux sens de rotation [5] Il existe dautres types de moteurs pneumatiques commer-cialiss :

- moteurs pneumatiques pistons en toile (vois ci-dessous) ;

- moteurs pneumatiques pistons coulisseaux ; - moteurs pneumatiques engrenage ; - moteurs pneumatiques turbine.

Principe dun moteur pneumatique pistons en toile [2].

2.3.2 Ventouse, effet venturi

Ventouse [5]

Le passage de lair dans le rtrcissement augmente la vi-tesse de lair et diminue sa pression (p2 < p1). Il se cre alors une dpression qui permet daspirer lair de la ventouse, ou un fluide. Ce phnomne sappelle leffet Venturi.

Venturi associ une ventouse [1]

Une ventouse dveloppe un effort F = Pr . S, avec S : sur-face de contact avec la pice saisie et soumise la dpres-sion, et Pr : pression relative (Pr = Patm Pi et Pi est la pres-sion interne = dpression cre)

Exemple : Une ventouse dans laquelle est cre une dpres-sion de 50 % de la pression atmosphrique dveloppe un effort thorique de 392 N.

Une ventouse alimente par buse effet Venturi est source de consommation importante dair comprim et de bruit en fonctionnement normal quil convient dvaluer avant de choisir ce type dactionneur.

Si le nombre de ventouses mises en uvre est important, il est prfrable de produire la dpression par une pompe vide mcanique ( palettes par exemple).

3 Distributeurs

Diffrents distributeurs [3]

Echappement

Alimentation sens

Alimentation sens



3.1 Fonction Ils sont utiliss pour commuter et contrler le dbit du fluide sous pression, comme des sortes daiguillage, la rception dun signal de commande qui peut tre mcanique, lectri-que ou pneumatique. Ils permettent de : - contrler le mouvement de la tige dun vrin ou la ro-

tation dun moteur hydraulique ou pneumatique (dis-tributeurs de puissance) ;

- choisir le sens de circulation dun fluide (aiguiller, driver, etc.) ;

- excuter, partir dun fluide, des fonctions logiques (fonctions ET, OU, mmoire, etc.) ;

- dmarrer ou arrter la circulation dun fluide (robinet darrt, bloqueur, ) ;

- tre des capteurs de position (course dun vrin).

3.2 Symbolisation Un distributeur est caractris par : par le nombre des orifices : 2, 3, 4 ou 5 ; par le nombre des modes de distribution ou positions :

2 ou 3 ; par le type de commande du pilotage assurant le chan-

gement de position : simple pilotage avec rappel par ressort ou double pilotage, avec ventuellement rappel au centre par ressort dans le cas des distributeurs 3 positions ;

par la technologie de pilotage : pneumatique, lectrop-neumatique ou mcanique ;

par la technologie de commutation : clapets, tiroirs cylindriques, tiroirs plans.

3.2.1 Principe de la symbolisation Nombre de cases : il reprsente le nombre de positions de commutation possibles, une case par position. Sil existe une position intermdiaire, la case est dlimite par des traits pointills. Flches : dans chaque case ou position, les voies sont figu-res par des flches indiquant le sens de circulation du fluide entre les orifices. T : les orifices non utiliss dans une position sont symboli-quement obturs par un T droit ou invers. Le nombre des orifices est dtermin pour une position et est gal pour toutes les positions. Source de pression : elle est indique par un cercle noirci en hydraulique, clair en pneumatique. Echappement : il est symbolis par un triangle noirci en hydraulique, clair en pneumatique.

Principe de symbolisation des distributeurs [1]

Position initiale : les lignes de raccordement entre rseau et distributeur aboutissent toujours la case symbolisant la position initiale ou repos ; cette case est place droite pour

les distributeurs deux positions, au centre pour ceux trois positions. Le symbole de la pression (cercle) est mis droite de la case de repos sil ny a quun chappement (triangle), au milieu sil y a deux chappements. Les orifices sont reprs par des lettres en hydraulique et par des chiffres en pneumatique (cf. page suivante).

Exemple de reprsentation et symbolisation des positions repos et activation (distributeur 3/2)[1]

3.2.2 Dsignation des distributeurs Elle tient compte du nombre dorifices et du nombre de positions.

Exemple : distributeur 5/2 signifie distributeur 5 orifices et 2 positions.

Distributeur normalement ferm (NF) : lorsquil ny a pas de circulation du fluide travers le distributeur en posi-tion repos (ou initiale), le distributeur est dit normalement ferm. Distributeur normalement ouvert (NO) : cest linverse du cas prcdent ; au repos, il y a circulation du fluide travers le distributeur. Distributeur monostable : distributeur ayant une seule position stable. Dans ce type de construction, un ressort de rappel ramne systmatiquement le dispositif dans sa posi-tion initiale, ou repos, ds que le signal de commande ou dactivation est interrompu. Distributeur bistable : admet deux positions stables ou dquilibre. Pour passer de lune lautre, une impulsion de commande est ncessaire. Le maintien en position est assur par adhrence ou par aimantation. Leur fonctionnement peut tre compar celui dune m-moire deux tats : 0 ou 1, oui ou non. Centre ferm, pour 4/3 ou 5/3 : en position neutre ou repos centre ferm, le fluide ne peut pas circuler entre les cham-bres et les chappements, ce qui bloque la tige ou larbre moteur. Il est intressant pour un redmarrage sous charge (ex : charges suspendues, etc.). Centre ouvert, pour un 4/3 ou un 5/3 : en position neutre, centre ouvert, le fluide peut circuler librement. La purge des chambres et la libre circulation de la tige (libre rotation de larbre moteur) sont ainsi possibles. Ce cas est intressant pour supprimer les efforts dvelopps et faire des rglages. Il existe dautres types de centre pour ces distributeurs.



Normalisation des principaux distributeurs et des dispositifs de pilotages correspondants [1]

[1] [1]



3.2.3 Principe du reprage des orifices Le reprage des orifices par des chiffres et des pilotages par des nombres est normalis : - repre 1 pour lorifice dalimentation en air comprim, - repres 2 et 4 pour les orifices dutilisation, - repres 3 et 5 pour les orifices dchappement, - repre 12 pour lorifice de pilotage mettant la voie 1-2

en pression, - repre 14 pour lorifice de pilotage mettant la voie 1-4

en pression, - repre 10 pour lorifice de pilotage ne mettant aucune

voie en pression. 3.2.4 Symboles des commandes des distributeurs La commande du changement de position est obtenue par dplacement du tiroir ou du ou des clapets, lments mobi-les essentiels des distributeurs.

Ce pilotage peut tre simple ou double. Le simple pilotage est associ un rappel par ressort.

Le dispositif de pilotage doit tre indiqu pour chaque posi-tion du distributeur et apparatre dans la symbolisation.

3.3 Choix dun distributeur pneumatique 3.3.1 Choix de la fonction (nombre dorifices) Ce choix dpend naturellement de lactionneur alimenter : - 2/2 pour moteur un sens de marche, blocage ou ven-

touse ; - 3/2 pour vrin simple effet, ventouse ou purgeage de

circuit : - 4/2 ou 5/2 pour vrin double effet ou actionneur deux

sens de marche ; - 5/3 pour les moteurs pneumatiques, ou les vrins dou-

ble effet. - Les distributeurs 4/3 sont trs utiliss en hydraulique.

Les distributeurs 5 orifices permettent des rglages ind-pendants, pour lentre et la sortie de tige, de la vitesse de la tige en agissant sur le dbit dair lchappement.

3.3.2 Choix de la position de repos De ce choix dpend le comportement de lactionneur ali-ment lorsque lnergie de commande est coupe.

Distributeur monostable : - 2/2, le circuit est coup au repos (passage ferm

dans les deux sens) ; - 3/2, le circuit dutilisation est lchappement

(purge), donc lactionneur revient en position de repos sil sagit dun vrin simple effet, ou est li-bre sil sagit dun autre type dactionneur ;

- 4/2, la coupure de la commande provoque linversion du mouvement de lactionneur.

En commande monostable, il faut donc tre attentif aux consquences dune coupure dalimentation sur la scurit des personnes et des matriels. De plus, il faut prvoir dans la commande de maintenir lordre aussi longtemps que n-cessaire, ce qui peut entraner des consommations dnergie non ngligeables, voire excessives.

Distributeur bistable (double pilotage) : lactionneur pour-suit son action. Les distributeurs bistables remplissent, par construction, une fonction mmoire, rendant inutile le main-tien de lordre sur le pilote, ce qui rduit la consommation

dnergie, mais peut ventuellement poser des problmes de scurit. 3.3.3 Choix de la commande ou du pilotage Ce choix concerne principalement trois familles :

Pilote pneumatique : recommand si atmosphre explo-sive, humide ou agressive. Ce type de pilotage est possible mme avec une partie commande lectrique, grce des interfaces lectropneumatiques dportes et en armoire protge.

Pilote lectropneumatique : le dplacement du tiroir du distributeur est assur par lair comprim, mais celui-ci est admis par lintermdiaire dune mini-lectrovanne clapet. Ce type de pilotage est le plus rpandu car il est adapt aux parties commandes lectriques tout en assurant une consommation lectrique minimale.

Pilote lectrique : le dplacement du clapet du distributeur est assur directement par un lectro-aimant. Ces pilotes sont gnralement rservs aux mini-vrins, ventouses et interfaces lectropneumatiques.

Si le choix entre les trois technologies reste possible, il convient de vrifier les temps de commutation lorsque cette caractristique est importante.

Comparaison des temps de commutation (daprs Schneider) [10]

Il existe dautres types de commande : pilotage manuel ou pilotage mcanique.

3.3.4 Choix de la taille du distributeur De ce choix dpend la rgularit de dplacement, la vitesse maximale et le remplissage du vrin. Mthode simplifie : cette mthode est adapte aux appli-cations les plus courantes, cest--dire pour des cylindres infrieures ou gales 10 litres et des vitesses infrieures ou gales 0,1 m/s et un taux de charge de 0,5 ou moins. Elle consiste choisir un distributeur dont les orifices de raccor-dement sont gaux ou immdiatement infrieurs ceux du vrin alimenter. Exemple : Pour un vrin de 40 mm de diamtre, les orifices sont prvus pour des raccords de 1/4", le distributeur adapt aura des raccords de 1/4" ou 1/8". Dimensionnement prcis : il faut utiliser les abaques des constructeurs, dterminer le dbit dair traversant un distri-buteur et vrifier le Kv (Koefficient Ventil).

3.4 Dtermination du dbit dair, facteur Kv Cest une caractristique essentielle. Le dbit doit tre suffi-sant pour remplir les chambres du vrin, ou du moteur, la cadence voulue. Il dpend des caractristiques de celui-ci : diamtre D, course C, temps de course, pression dalimentation et taux de charge.



Facteur Kv : trs utilis, il permet de dterminer le distributeur associer un vrin et exprime le dbit deau en litre (dm3) par minute traversant le distributeur sous une perte de charge de 1 bar (diffrence de pression amont/aval de 1 bar). Le Kv peut tre exprim en m3/s. Les fabricants proposent des abaques pour dterminer le Kv et la taille des distributeurs (cf. ci-dessous).

- A partir du taux de charge et de la pression du vrin, on dfinit le point Y. - A partir du temps de course, on obtient le point X.

- La course et le diamtre du vrin dfinissent sa cylindre. - La droite liant le point X et le point caractrisant la cylindre du vrin permet dobtenir le Kv minimum du distributeur.

[8]

[8]



3.5 Distributeurs particuliers Bloqueur 2/2 : Distributeurs 2/2 qui ralisent le blocage le

la tige notamment lors dun arrt durgence ou dun rglage. Bloqueur 2/2 et un exemple dimplantation [1]

Sectionneur gnral : voir 1.10.2.

Dmarreur progressif : voir 1.10.3.

Principe dun dmarreur progressif [1]

4 Accessoires Capteurs de position sur vrin : pour indiquer la partie commande la position de la tige. Ce sont souvent des ILS.

Capteurs de fin de course : pneumatique action mcani-que.

Clapet anti-retour.

Rducteurs de dbit : voir 2.2.2.

5 Reprage des composants des chanes fonctionnelles

Reprage trois blocs [10]

La ralisation et lexploitation de schmas ncessitent lidentification et le reprage des composants.

Principe : la norme E 04-157 pr-conise un codage en trois parties :

- un repre dordre fonctionnel qui peut comporter plusieurs caractres (numro de chane fonctionnelle par exemple) ;

- un code du composant (voir tableau ci-dessous) :

- un code de ltat ou de laction (pour les practionneurs, un chiffre 0 est affect au pilotage qui va donner la mise en position initiale ; pour les capteurs associs aux actionneurs, le chiffre 0 pour le capteur actionn ltat initial du cycle, les chiffres 1, 2, 3, pour le capteur actionn dans lordre du cycle ; pour les composants auxiliaires, le repre de lorifice de liaison).

Code Type de matriel Exemple A Accumulateurs

B Multiplicateurs et changeurs de pression

C Vrins Vrin D Distributeurs Distributeur F Appareils de conditionnement Filtre G Appareil de mesurage Manomtre M Moteurs N Clapets antiretour P Pompes et compresseurs

Q Appareils de rglage du dbit Rducteur de dbit

R Appareils de rglage de la pression

S Dtecteurs mcaniques Bouton T Rservoirs

U Organes de ligne et de raccor-dement Silencieux Raccord

YV Commande lectrique Electrovanne

Exemple : Forme normalise dune chane daction 3 : Arrt poste 1 .

Reprage et forme normalise dune chane fonctionnelle 3 : Arrt poste 1 [10]

[3]

[1]



6 Exercices sur les vrins [1]

6.1 Exercice 1 Leffort de serrage que doit exercer le vrin de bridage est de 6500 N. Si le diamtre dalsage D est de 125 mm, dterminer la pression thorique ncessaire. Que devient cette pression sil existe des frottements engendrant des pertes de 5 % ?

6.2 Exercice 2 Calculer les efforts thoriquement dveloppables, en pous-sant et en tirant, dun vrin (D = 100 mm et d = 25 mm) si la pression dutilisation est de 500 kPa (5 bars). Refaire la question si les pertes par frottements sont de 12 %.

6.3 Exercice 3 La masse de la charge soulever est de 700 kg (avec lacclration de la pesan-teur g = 9,81 m/s). Les pertes par frot-tements internes sont estimes 12%, la pression dalimentation en air est de 600 kPa (6 bars). Si les forces dinertie et la contre-pression sont ngliges, dtermi-ner le diamtre du piston.

6.4 Exercice 4 Dterminer le diamtre dun vrin capable de soulever une charge de 100 daN lorsque la pression dair utilise est de 700 kPa (7 bars) et le taux de charge de 0,7. Choisir un diamtre normalis.

6.5 Exercice 5 Calculer la consommation dair (dbit par minute) dun vrin de diamtre D = 80 mm (diamtre de tige 22 mm) et dune course de 400 mm. 5 cycles (aller / retour) sont effec-tus par minute sous une pression de 600 kPa (6 bars).

6.6 Exercice 6 La course dacclration de la masse (800 kg) est de 10 mm dans les deux sens, puis la vitesse reste constante 0,5 m/s. Le frottement entre la charge et le support est f = 0,10. La pression de lair du systme est de 600 kPa (6 bars). Dterminer le diamtre normalis du piston.

6.7 Exercice 7 La course damortissement de la charge de 150 kg est de 30 mm pour une pente de 45 (vitesse de translation 0,6 m/s, pression dutilisation 600 kPa). La course dacclration est suppose identique la course damortissement. Les pertes par frot-tements sont values 12 %.

a. Dterminer la charge totale : effort de levage + for-ces de frottement + force dynamique due lacclration.

b. En dduire le diamtre du piston.

7 Exemple dune installation [5] [10]



Le schma de puissance pneumatique prcdent reprsente les circuits de chanes daction et dalimentation en nergie. Ce schma est constitu dune association dlments permettant le conditionnement et la distribution dair comprim vers lutilisation (on peut donc distinguer trois zones). Noter quil existe deux types de liaison : les liaisons en dbit (puissance) en traits pleins et les liaisons en pression (commande) en traits pointills .

Pour le conditionnement :

Pour la distribution et lutilisation :

Lalimentation en nergie lectrique de la commande lectrique EV3A fera sortir le vrin 3 (v3+), et lalimentation de EV3B fera rentrer le vrin 3 (v3-). Dans la mesure du possible, il faut viter dalimenter simultan-ment les bobines des commandes dun mme distributeur.

Ressources : [1] Guide des Sciences et Technologies Industrielles, par Jean-Louis Fanchon, Editions Nathan.

[2] La Pneumatique dans les Systmes Automatiss de Production, par S. Moreno et E. Peulot, Editions Educalivre. http://perso.wanadoo.fr/edmond.peulot

[3] http://www.prm.ucl.ac.be/cours/meca2755/docu/pneumatique1.pdf

[4] Les dossiers pdagogiques de Festo tlchargeables ladresse suivante : http://www.festo.com/INetDomino/be/fr/73b8a0579e24b2e5c1256db7005425e9.htm

[5] Circuit puissance pneumatique, PowerPoint de Jean-Louis H, tlchargeable ladresse suivante : http://perso.wanadoo.fr/hu.jean-louis/ressourc/auto/telecha/puispneu.zip

[6] Actionneurs et distribution pneumatique, animations Flash de J.-P. Hoareau, tlchargeable ladresse suivante : http://perso.wanadoo.fr/geea.org/PNEUM/pneum.zip

[7] Automatique et Informatique Industrielle, 1re et Term STI, par Henri Ney, Editions Nathan Technique.

[8] Mmotech Electrotechnique, par R. Bourgeois et D. Cogniel, Editions Educalivre

[9] Le site de mutualisation de donnes : http://www.geea.org

[10] Automatique, Informatique Industrielle, 1re et Term, Collection Sciences et Techniques Industrielles, par Christian Merlaud, Jacques Perrin et Jean-Paul Trichard, Editions Dunod.

Re-pre Type dappareil Fonction assure

1 Raccord Raccordement la source de pression

2 Vanne Isolement

3 Filtre Filtration des impurets (eau, poussires)

4 Rgulateur de pres-sion Maintien de la pression une valeur rgle

5 Manomtre Indication de la pression

6 Electrovanne gnrale Autorisation ou non de lalimentation en air

7 Contact pression Attestation de la prsence de pression

Utilisation Actionneur Practionneur

1 : Rampe 1 Vrin simple effet EV1 : distributeur 3/2 monostable com-mande lectropneumatique et manuelle

2 : Rampe 2 Vrin simple effet EV2 : distributeur 3/2 monostable com-mande lectropneumatique et manuelle

3 : Arrt Poste 1

Vrin double effet

EV3 : distributeur 4/2 bistable comman-des lectropneumatiques et manuelles

4 : Ventouse Ventouse effet Venturi EV4 : distributeur 3/2 monostable com-mande lectropneumatique et manuelle

Principe de cblage avec un automate [3]

Exemple darmoire de commande [3]

pneumatique_2

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