Formation hydraulique : pompe régulation pression constante

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

On distingue chez les constructeurs 5 niveaux de pression :

Basse Pression (BP) inférieure à 150 bars.
Moyenne Pression (MP) inférieure à 250 bars.
Moyenne Haute Pression (MHP) inférieure à 350 bars.
Haute Pression (HP) inférieure à 500 bars.
Très Haute Pression (THP) supérieure à 500 bars.

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.

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.

Il faut comparer un circuit utilisant une pompe cylindrée fixe avec un circuit utilisant une pompe régulation pression constante pour comprendre la nécessité de son installation.

Cylindrée : Volume refoulé pour 1 tour d’arbre.

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1.A - stand-by

Sur la Fig.1 est représentée un circuit hydraulique utilisant une pompe cylindrée fixe couplée avec un distributeur proportionnel 4/3.

On retrouve :

Rep 1 : Pompe cylindrée fixe.
Rep 2 : Moteur électrique.
Rep 3 : Limiteur de pression à action pilotée (symbole simplifié).
Rep 4 : Distributeur 4/3 proportionnel à action pilotée (symbole simplifié).
Rep 5 : Vérin double-effets.
Q1 : Débitmètre.
M1 & M2 : Manomètres.
P : Pressure – Pression.
T : Tank – Réservoir.
A & B : Orifices vers récepteur.

Pour l’explication, les pertes de charge sont négligées.

Pertes de charge : frottement de l’huile dans la tuyauterie et les composants hydrauliques.

Le schéma hydraulique Fig.1 est représenté en position stand-by. La pompe (rep 1) entraînée par le moteur électrique (rep 2) débite 100 l/min. Le distributeur (rep 4) est au repos, le centre est ouvert (P, A & B communique vers T). Toute l’huile issue de la pompe retourne librement au réservoir en passant par la case centrale du distributeur (P vers T).

Q1 = 100 l/min.

M1 & M2 = 0 bar (En réalité les pertes de charge)

Puissance consommée par la pompe en phase stand-by :

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Rappel : Le distributeur proportionnel s’identifie sur les schémas par les double-barres sur le symbole. Elles indiquent que le tiroir est progressif. Les flèches dans le symbole informent que le signal électrique varie en fonction de la consigne donnée par l’automate.

Sur la Fig.2 , une consigne de 20% est donnée au distributeur proportionnel (rep 4). Le tiroir se déplace proportionnellement à la consigne et laisse passer une partie du débit de la pompe (arbitrairement 20 l/min). Il se comporte comme un étranglement. Le débit sortant du distributeur se comprime à la valeur nécessaire pour déplacer la charge ( 100 bars).

La pression augmente dans la canalisation P et le limiteur de pression (rep 3) s’ouvre puisque le distributeur ne fait pas passer tout le débit de la pompe. Le débit excédentaire (80l/min ) retourne au réservoir par le limiteur de pression sous 250 bars.

À noter : La vitesse du vérin est induite par le débit traversant le distributeur. Si la charge change, la différence de pression (∆P ) aux bornes du distributeur change. Instantanément le débit traversant le distributeur n’est plus le même et la vitesse du vérin n’est pas conservée. Pour conserver la vitesse du vérin il sera nécessaire de modifier la consigne électrique.

Q1 = 100 l/min.

M1 = 250 bars.

M2 = 100 bars.

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Sur la courbe de puissance on constate les pertes d’énergie qui se transforment en chaleur.

Tout le débit de la pompe (100 l/min) est laminé* dans le limiteur de pression sous 250 bars.

Laminage : Échauffement de l’huile dans un composant hydraulique. Il se produit lorsque l’on constate un débit avec une grande différence de pression aux bornes d’un composant.

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2 - Circuit hydraulique / pompe cylindrée variable.

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. Ce type de régulation est très présente dans les applications industrielles.

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2.A - Vue en coupe

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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.

Sur la Fig. B est représentée un circuit hydraulique. 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.
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.
Rep 18 : Gicleur (décompression / stabilisation piston de commande).
Rep 19 : Orifice de pilotage du tiroir.
Rep 20 : Bouchon.
Rep 21 : Limiteur de pression à action pilotée (symbole simplifié).
Rep 22 : Distributeur 4/3 proportionnel à action pilotée / commande électrique(symbole simplifié)
Rep 23 : Vérin double effets.
Rep 24 : Moteur électrique.
Q1 : Débitmètre.
M1 & M2 : Manomètres.
P : Pressure – Pression.
T : Tank – Réservoir.
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2.B - Stand-by

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Fig. D : L’utilisation d’une pompe pression constante impose d’avoir l’orifice (P) fermé sur le distributeur.

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

Lorsque le moteur électrique (rep 24) est alimenté, 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.

La pompe débite 100 l /min. Instantanément l’huile se cumule dans la canalisation (P) puisque le centre du distributeur est fermé. La pression augmente et s’applique sur la surface du tiroir (rep 15) en passant par l’orifice (rep 19). Lorsque la pression atteint la valeur du ressort réglable (rep 16) le tiroir se décale et oriente l’huile vers le piston de commande. A cet instant la pression de pilotage 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 250 bars dans le circuit (pression d’attente).

Q1 = 0 l/min.

M1 = 250 bars.

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2.C - Sortie vérin

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Sur la Fig. F, une consigne de 20% est donnée au distributeur proportionnel (rep 4). Le tiroir se déplace proportionnellement à la consigne. L’orifice P du distributeur s’ouvre sur A ce qui crée une légère chute de pression et déstabilise la pompe. Sur un cours instant, le tiroir (rep 15) 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 20 l/min (arbitraire) peuvent passer dans le distributeur. La pression augmente et s’applique sur la surface du tiroir (rep 15) en passant par l’orifice (rep 19). Lorsque la pression atteint la valeur du ressort réglable (rep 16) le tiroir se décale et oriente l’huile vers le piston de commande. À cet instant la pression de pilotage 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 distributeur.

Le débit sortant du distributeur se comprime à la valeur nécessaire pour déplacer la charge ( 100 bars).

À noter : La vitesse du vérin est induite par le débit traversant le distributeur qui se comporte comme un étranglement. Si la charge change, la différence de pression (∆P ) aux bornes du distributeur change. Instantanément le débit traversant le distributeur n’est plus le même, le débit de la pompe change et la vitesse du vérin n’est pas conservée.

Pour conserver la vitesse du vérin il sera nécessaire de modifier la consigne électrique du distributeur.

Q1 = 20 l/min.

M1 = 250 bars.

M2 = 100 bars.

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2.D - Vérin en butée

Sur la Fig. G, la consigne de 20% donnée au distributeur proportionnel (rep 4) est maintenue.

Le vérin arrive en butée mécanique et l’huile se comprime. La différence de pression (∆P) aux bornes du distributeur s’efface. 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.

3 - Limiteur de pression & pompe annulation de débit

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Le limiteur de pression principal protège la pompe des surpressions. Dans le cas d’une pompe avec une régulation de pression constante, il sert à écrêter les pics de pression le temps que la pompe ajuste sa cylindrée (temps de réponse).

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 bien sa cylindrée.

Si le limiteur de pression est réglé trop bas, la pompe en stand-by n’annule pas totalement sa cylindrée et provoque une montée en température du circuit hydraulique anormale causée par le laminage de l’huile dans le limiteur de pression.

À noter : Sur des longues périodes de stand-by, la mécanique de la pompe peut chauffer car elle ne débite pas. Il est souvent installé un balayage* pour remédier au problème. Parfois un distributeur de by-pass peut être installé en sortie de pompe si le cycle machine impose de longues périodes d’attente.

Balayage : Circulation d’huile fraîche avec une pompe externe par les orifices de drainage pour refroidir le corps de pompe.

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