Fonctionnement pompe hydraulique à régulation LS

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Les pompes hydrauliques peuvent être à cylindrée* fixe ou variable.

Cylindrée : volume refoulé pour 1 tour d’arbre.

Il existe 3 technologies de pompe :

Engrenage : les pompes seront uniquement à cylindrée fixe. Elles sont bon marché, peu sensibles à la pollution, bruyantes.
Palettes : les pompes peuvent être à cylindrée fixe ou variable. Elles sont l’intermédiaire entre l’engrenage et la pompe à pistons. Elles sont silencieuses.
Pistons : les pompes peuvent être à cylindrée fixe ou variable. Elles sont onéreuses, robustes et très sensibles à la pollution.

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On retrouve plusieurs formes de régulation de pompe en circuit ouvert.

Pression constante (industrie).
Load Sensing (mobile).
Puissance constante (industrie/mobile).
Sommation de puissance (mobile).
Négativ control (mobile).

Le choix par les fabricants de machines d’utiliser ou non des pompes à cylindrée variable se justifie par l’économie d’énergie réalisée

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Il faut comparer un circuit utilisant une pompe à cylindrée fixe avec un circuit utilisant une pompe à régulation Load Sensing (LS) pour comprendre la nécessité de son installation.

Une pompe munie d’une régulation (LS) est raccordée à 4 tuyaux :

Une aspiration (S : Suction)
Un refoulement (P : Pressure)
Un drainage (L ou Y)
Un pilotage X (LS : Load Sensing / traduit en français par sensation de la charge).

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1 - Pompe à régulation Load Sensing (vue en coupe)

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Dans un cycle machine, lorsque le débit est important et qu’il n’est pas totalement consommé par les récepteurs (Exemples : Circuit avec distributeur proportionnel, étranglement…) on retrouve souvent une pompe à cylindrée variable munie d’une régulation pression constante et load sensing. Ces types de régulation sont très présents dans les applications mobiles.

Sur la Fig. A est représentée une vue en coupe didactique d’une pompe à cylindrée variable munie d’une régulation pression constante, également appelée annulation de débit et une régulation Load Sensing (LS).

Sur la Fig. B est représentée un circuit hydraulique simple. Le symbole de la pompe est représentatif de la mécanique illustrée en Fig. A.

On retrouve :

Rep 1 : Corps de pompe.
Rep 2 : Arbre de pompe.
Rep 3 : Joint d’arbre.
Rep 4 : Roulement.
Rep 5 : Plateau de pompe.

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Rep 6 : Patins de piston.
Rep 7 : Pistons.
Rep 8 : Barillet.
Rep 9 : Ressort.
Rep 10 : Glace de distribution.
Rep 11 : Drainage.
Rep 12 : Contre-piston (augmentation de cylindrée).
Rep 13 : Ressort de rappel (cylindrée maxi à l’arrêt).
Rep 14 : Piston de commande du plateau (diminution cylindrée).
Rep 15 : Tiroir valve annulation de débit.
Rep 16 : Ressort de réglage annulation de débit.
Rep 17 : Vis de réglage (pression constante).

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Rep 18 : Gicleur (décompression / stabilisation piston de commande).
Rep 19 : Tiroir valve LS.
Rep 20 : Ressort de réglage valve LS.
Rep 21 : Vis de réglage (LS).
Rep 22 : Bouchons.
Rep 23 : Moteur thermique.
LP1 : Limiteur de pression.
LQ1 : Limiteur de débit.
MH1 : Moteur hydraulique.
Q1 : Débitmètre.
M1 & M2 : Manomètres.
P : Pressure – Pression.
T : Tank – Réservoir.

2 - Pompe à régulation Load Sensing (stand-by)

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Les réglages sont les suivants :

Limiteur de pression LP1 : 280 bars.
Annulation de débit : 250 bars.
Valve LS : 25 bars.

Au repos, la pompe est orientée pleine cylindrée grâce au ressort de rappel (rep 13).

Lorsque le moteur thermique (rep 23) est au régime travail, l’arbre de pompe entraîne l’ensemble plateau, barillet, pistons (rep 5, 8, 7). La glace de distribution ainsi que le piston de commande et contre-piston restent fixes (rep 10, 14, 12).L’inclinaison du plateau de la pompe entraîne un mouvement de va et vient des pistons. Il en résulte une aspiration côté (S) et un refoulement côté (P). La glace de distribution assure l’étanchéité entre les pistons.

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La pompe démarre avec un débit de 100 l /min. Instantanément l’huile se cumule dans la canalisation (P) puisque le limiteur de débit (LQ1)est fermé. La pression augmente et s’applique sur les surfaces des tiroirs (rep 15 &19 ). Lorsque la pression atteint la valeur du ressort réglable de la valve LS (rep 20) le tiroir (rep 19) se décale et oriente l’huile vers le piston de commande. À cet instant la pression de commande est appliquée à la fois sur le contre-piston et le piston de commande. La surface du piston de commande étant plus importante que celle du contre-piston, le plateau de pompe s’incline et annule sa cylindrée.

En stand-by la pompe ne débite plus. Seulement un léger débit en interne pour satisfaire le gicleur de stabilisation (rep 18). Elle maintient 25 bars dans le circuit (pression d’attente).

Q1 = 0 l/min.

M1 = 25 bars.

Puissance consommée par la pompe en phase stand-by : sur la Fig. E, on constate sur la courbe de puissance que la pompe consomme peu d’énergie.

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3 - Pompe à régulation Load Sensing (rotation moteur)

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Rappel : en stand-by la pompe ne débite pas et maintient une pression d’attente de 25 bars.

Fig. G, lorsque l’opérateur ouvre le limiteur de débit LQ1, la pression d’attente (25 bars) est rebouclée sur la valve LS de la pompe par une tuyauterie prise après l’étranglement et connectée sur l’orifice X.

Cette pression en X s’additionne à la valeur du ressort de réglage. À cet instant, le tiroir LS (rep 19) représenté par le distributeur 3/2 progressif se décale vers la gauche et décomprime le piston de commande (rep 14) au réservoir (identique à la Fig. B). Le contre-piston incline le plateau en cylindrée maximum. La pompe est plein débit mais seulement 10 l/min (arbitraire) peuvent passer dans le limiteur de débit. L’huile qui traverse l’étranglement se comprime à la pression nécessaire pour faire tourner le moteur (100 bars). Cette pression est ramenée sur la conduite de pilotage X à la pompe et s’additionne aux 25 bars de ressort de la valve LS. La pression en sortie de pompe augmente et s’applique sur la surface du tiroir (rep 19). Lorsque la pression atteint la valeur du ressort LS + la pression de la charge (25 bars + 100 bars = 125 bars) le tiroir se décale et oriente l’huile vers le piston de commande. À cet instant la pression de commande est appliquée à la fois sur le contre-piston et le piston de commande. La surface du piston de commande étant plus importante que celle du contre-piston, le plateau de pompe s’incline et réduit la cylindrée pour satisfaire la consommation du limiteur de débit. Le moteur hydraulique tourne à 300 tr/min.

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M1 : 125 bars.

Q1 : 40 l/min.

M2 : 100 bars.

Conservation de la vitesse du moteur hydraulique si la charge varie.

On constate une différence de pression (ΔP ) aux bornes de l’étranglement. Les 25 bars de ΔP sont maitrisés par la valve LS de la pompe. Si le moteur force (150 bars par exemple), la pompe est informée de l’augmentation de la charge par le pilotage X (LS) et adapte la pression de sortie à celle de la charge + le ressort LS ( 150 bars de charge + 25 bars de ressort = 175 bars). La différence de pression (25 bars) est conservée aux bornes de l’étranglement et la vitesse de moteur reste constante.

D’après le théorème de Bernoulli, le débit passant dans un étrangleur varie en fonction de la différence de pression aux bornes de celui-ci

Conservation de la vitesse du moteur hydraulique si le moteur thermique ralentit.

Si l’opérateur réduit la vitesse du moteur thermique, la pompe va compenser en augmentant sa cylindrée pour continuer de satisfaire le limiteur de débit. (Dans la limite ou elle arrivera en cylindrée maximum.) La vitesse du récepteur sera conservée.

Puissance consommée par la pompe en phase travail :

Sur la Fig. H, on constate sur la courbe de puissance que la pompe (LS) consomme uniquement l’énergie nécessaire au mouvement. Les pertes sont réduites.

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4 - Pompe à régulation Load Sensing (phase butée)

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Lorsque le moteur hydraulique se bloque, la différence de pression aux bornes de l’étranglement s’efface. Le tiroir LS (rep 19) représenté par le distributeur 3/2 progressif se décale vers la gauche. Il est neutralisé car la pression de sortie de la pompe est ramenée en pilotage X par la tuyauterie LS. La pompe tend à augmenter sa cylindrée mais la pression augmente et le tiroir (rep 15) de l’annulation de débit (pression constante) se décale vers la droite à 250 bars. La pompe réduit sa cylindrée, elle ne débite plus, seulement un léger débit en interne pour satisfaire le gicleur de stabilisation (rep 18). Elle maintient 250 bars dans le circuit.

Q1 = 0 l/min.

M1 = 250 bars.

M2 = 250 bars.

Puissance consommée par la pompe en phase butée (blocage moteur) : sur la Fig. K, on constate sur la courbe de puissance que la pompe (LS) consomme peu d’énergie lorsque le récepteur est bloqué.

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5 - Limiteur de pression & pompe cylindrée variable

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À noter : le limiteur de pression doit toujours être réglé au-dessus de la régulation de pression constante (environ 10%) afin de s’assurer que la pompe annule correctement sa cylindrée.

Si le limiteur de pression est réglé trop bas, la pompe n’annule pas totalement sa cylindrée lorsque le récepteur arrive en butée mécanique. Le débit restant lamine dans le limiteur de pression et provoque une montée en température anormale du circuit hydraulique.

En conclusion : la pompe LS annule son débit et maintient une faible pression d’attente dans le circuit (25 bars) en stand-by. Elle ajuste son débit à la pression nécessaire pour satisfaire la demande des récepteurs. Elle permet des économies d’énergie.