Brevet FR2070193A1 — publié le 19710910

i. 2070193 La présente invention concerne des soupapes commandées par une.soupape pilote faiblement chargée. Les soupapes à champignon et les soupapes commandées par une soupape pilote ont, été largement utilisées aatér-ieurement dans 5 les installations n'exigeant qu'une fréquence relativement faible de leurs cycles opératoires. La présente demanderesse a observé que, dans l'emploi de soupapes à champignon et de soupapes à commande par solénolde dans un dispositif de -régulation pneumatique tel que celui décrit dans le brevet des E.U.A. n°- 3.474.825 es as-10 sociation avec un appareil d'évacuation à bras pivotant destiné au service d'une presse et du type décrit dans le brevet des E.U.A. n° 2.609.776, la rapidité des opérations de ces soupapes et la fréquence des cycles opératoires qu'elles doivent effectuer sont la cause de défaillance importantes et fréquentes de leurs éléments 15 mécaniques et électriques. En particulier,, les têtes de soupape et les soupapes pilotes, leur corps et lesr- -solénoïde de commande subissent des usures excessives. Dans l'appareil dl évacuation précité, le feras pivotant porte un système de mâchoires à commaD.de pneumatique qui peut être 20 déplacé entre une position basse pour laquelle il se trouve à proximité d'une cavité d'emboutissage et une position haute pour laquelle il se trouve au-dessus et sur l'extérieur de la presse qu'il dessert» Le bras pivotant est déplacé de sa position haute vers sa position basse par l'action d'un cylindre moteur à simple effet 25 dans lequel de l'air sous forte pression est envoyé aux instants qui conviennent. L'abaissement au bras pivotant s'effectue à une vitesse contrôlée par détente de la pression de l'air contenu dans le cylindre moteur. Les mâchoires portées par le bras pivotant sont fermées et ouvertes positivement de façon à saisir puis à lâ-30 cher la pièce travaillée par un cylindre pneumatique moteur à double effet dans lequel de l'air sous forte pression est envoyé puis mis en détente à la cadence appropriée et commande ainsi les mouvements de fermeture et d'ouverture des mâchoires « En général., ce bras pivotant, supposé être à l'origine sur sa position basse.» ef-35 fectue successivement les opérations suivantes : 1} mouvement d'extension et fermeture de ses mâchoires pour saisir la pièce travaillée, 2) mouvement de pivotement vers le haut qui éloigne de la presse la pièce travaillée, 3) ouverture de ses mâchoires qui lâchent alors la pièce travaillée, et 4) mouvement de retour sur 40 sa position basse.. SAD ORÎGINAll /U I -- Le système de régulation pneumatique est branché sur une tuyauterie générale d'air -sous .forte pression en provenance d'une source d'air comprimé et par.1fintermédiaire d'une chambre d'entrée commune formée par un corps de valve renfermant un ensemble 5 formant soupape d'admission et soupape d'échappement pour le cylindre à simple effet de commande du- bras pivotant, une soupape de contrôle de la vitesse de fane ti onnerasn t du-cylindre du bras pivotas t-" et deux ensembles formant chacun soupape d'admission et soupape d'échappement pour le.cylindre à double effet qui commande 10 les mouvements des mâchoires« Ces diverses soupapes sont actionnées successivement et commandent 13 admission-de 1'air sous forte pression arrivant par- ladite chambre d'entrée.commune .dans le cylindre du bras pivotant ..et dans le cylindre.,des mâchoires de façon à leur faire effectuer les opérations précédemment décrites. 15 " Ces appareils d'évacuation et leurs soupapes associées sont surtout utilisés 'dans des .usines importantes dans lesquelles., est installée une distribution générale d'air comprimé sous forte pression. -La pression d 2 ■- elle est comprise approximativement entre 3 et 10 kg/cm .. Les sou-20 papes pneumatiques industrielles sont en général étudiées de façon à être lubrifiées par un brouillard d'huile injecté en amont dans le courant d'air comprimé par un appareil de lubrification spécialement étudié,--L'une des causes des défaillances des soupapes à u-" sage industriel est un défaut de lubrification qui peut provenir 25 soit d'un oubli de réapprovisionnement en huile de l'appareil de lubrification, soit d'une panne de cet appareil lui-même. Il est évident que, dans les installations industrielles, ces défaillances de soupapes soat hautement indésirables non seulement parce qu'elles entraînent des frais d'entretien de remplacement, mais 30 aussi du fait des arrêts de fabrication qui en résultent. Les soupapes pneumatiques à usage industriel et de fabrication antérieure ent une durée nominale de vie utile correspondant environ à 10 à 14 millions de cycles opératoires, et les solénoîdes utilisés pour la commande des -soupapes-'pilotes-.ont une-.durée nominale de vie uti-33 le correspondant environ à 5 à 10, millions de cycles opératoires. En pratique ces soupapes et ces solénoîdes sont fréquemment hors drusage avant d-'avoir atteint -la.- limite de leur vie utile nominale. L'objet principal de la présente invention est la réalisation d'une soupape pneumatique .à usage industriel, d'un type nou-40 veau et perfectionné, commandé par une soupape pilote à solénoîde &AD OWGINAL{ 70 39661 3. 2070193 et pouvant être employée pour la commande d'appareils qui doivent effectuer, au cours de longues périodes d'utilisation, des cycles opératoires fréquents et de durée relativement courte. La présente demanderesse a observé que de nombreux élé-5 ments des installations pneumatiques industrielles, Joints d'étan-chéité, têtes de soupapes,.obturateurs, plaques, portées, parois d'extrémité et pistons, fabriqués antérieurement par usinage de pièces métalliques munies ensuite de joints d'étanchéité séparés, joints toriques, garnitures, segments râcleurs, et similaires, peu-10 vent, avec avantage, être faits en une seule pièce en matière plastique, en polymère organique fluoré par exemple. De plus, l'emploi dans les systèmes pneumatiques industriels d'éléments monoblocs en matière plastique permet de constituer des joints d'une étanchéité exceptionnelle à l'aide d'éléments monoblocs présentant une lèvre 15 déformable par la pression de l'air comprimé et dont la configuration nouvelle et perfectionnée assure une auto-compensation de son usure au cours de périodes d'utilisation exceptionnellement étendues . Le résultat de ces observations et de cette configuration 20 particulière a permis de réaliser une soupape pneumatique à usage industriel, commandée par solénoîde et qui peut effectuer sans défaillance un nombre de cycles opératoires supérieur à 70 millions. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, description 25 faite à titre purement explicatif et nullement limitatif et avec référence au dessin joint dans lequel : La figure 1 est une vue en coupe axiale d'une tête de soupape circulaire conforme à l'invention j et La figure 2 est une vue en coupe axiale de la tête de sou-50 pape de la figure 1 représentée hors de l'alésage dans lequel elle coulisse. La soupape de l'invention est destinée à être utilisée dans une valve de régulation du type de celle décrite dans le brevet des E.U.A. n° 3.474.825. Une telle valve comprend des soupapes 35 à champignon montéesdans un corps de valve et dont les têtes se déplacent entre une position d'ouverture et une position de fermeture d'une chambre interposée entre un orifice d'admission et un orifice d'échappement. Le fonctionnement général des valves de ce type, bien connu de tout homme du métier, est décrit en détail dans 40 le brevet des E.U.-A. n° 3.474.825 et ne sera décrit ci-après que BAD ORIGINAL 70 39661 *• ' 2070193 dans sa partie nécessaire pour la compréhension de la présente invention. Il suffit de préciser à cet égard que ces valves commandent l'admission et l'échappement d'un air comprimé sous forte pression aux- deux extrémités de cylindres pneumatiques et compor-5 tent des soupapes qui sont alternativement mises sur une position d'admission et sur une position d'échappement. La caractéristique principale de la soupape de l'invention consiste en ce que sa tete est constituée par un élément cylindrique en matière plastique formant lui-même son propre dispositif 10 d'étanchéité. La matière plastique utilisée à cet effet est imperméable à l'eau, très résistante à l'usure, a un faible coefficient de frottement et peut être usinée facilement. Cette matière est rigide sous forte épaisseur mais suffisamment flexible sous faible épaisseur pour que de l'air comprimé sous, forte pression la défor-15 me et lui fasse faire joint étanehe contre une surface adjacente. Un polymère organique fluoré, le polytétrafluoréthylène ou le poly-fluoréthylpropylène par exemple, conviennent particulièrement bien à cet usage. Le téflon fabriqué par la Société dite E.I. DuPont Company s'est révélé satisfaisant à l'usage. La matière actuelle-20 ment préférée est un mélange offert sur le marché d'un tel polymère auquel ont été incorporés en poids 15 à 20 # environ de fibre de verre et 5 % environ de graphite ou de bisulfure de molybdène. L'élément d'étanchéité de l'invention se présente sous la forme d'une lèvre 130 annulaire, flexible, s'étendant en direction 25 axiale, détachée du corps de la soupape par une rainure de dégagement annulaire 132 taillée en direction axiale, et dont la surface latérale 134 est tronconique, coaxiale avec la soupape et forme sur l'arrière de son bord libre une surface cylindrique de contact 136 de largeur substantielle. 30 La paroi 138 de l'alésage dans lequel coulisse la tête 140 de la surface est cylindrique et lisse. Une paroi transversale 139 enferme l'une des extrémités. La tête 140 de la soupape forme une face de butée 141 qui agit dans la chambre de pression 24 à la manière d'une face de piston et qui dépasse axialement au-delà de 35 la lèvre d'étanchéité pour éviter que celle-ci ne vienne toucher la paroi d'extrémité 139- Lorsque de l'air sous forte pression est envoyé dans la chambre 24, il agit sur la tête de la soupape et la fait déplacer d'un mouvement parallèle à l'axe longitudinal de l'alésage dans lequel elle coulisse malgré la résistance d'un res-40 sort de rappel (non représenté), ce qui a pour effet d'appliquer. » gAD ORIGINE* 70 39661 5- 2070193 une première nervure d'étanchéité sur un premier siège et d'en é-loigner une deuxième d'un deuxième siège (nervures et sièges non représentés), t L'air sous -forte pression contenu dans la chambre de pres-5 sion de la soupape agit aussi dans la rainure de dégagement 132 qu'entoure la lèvre d'étanchéité ljJO et force celle-ci à s'appliquer contre la surface de l'alésage de la chambre par la partie 136 de sa surface latérale. La force exercée sur la tête de la soupape par l'air sous forte pression applique la première nervu-10 re précitée contre son siège sur lequel elle vient ainsi faire joint étanche. Lorsque la tête de la soupape se déplace en sens opposé sous l'action de son ressort de rappel, c'est alors 1-a deuxième Taervure d'étanchéité précitée qui s'applique sur son propre siège en y faisant joint étanche. 15 Dans le mode de réalisation préféré de l'invention repré senté sur la figure 4, lorsque la tête de la soupape ne subit aucune contrainte, son diamètre extérieur maximal mesuré sur le bord 150 de sa lèvre flexible est 28,2 - 0,05 ®m; La profondeur 152 en direction axiale de la rainure 134 est 7,15 mm et son épaisseur 154 20 mesurée sur l'arrière du fond de cette rainure est 3,17 mm. Le rayon de l'arrondi 156 qui forme le fond de la rainure 134 est 0,61 mm. Les génératrices de la surface intérieure 158 et de la surface extérieure 160 de la lèvre flexible font avec l'axe de la tête de la soupape les angles référencés 162 et 164," et égaux tous 25 deux à 10°. Le bord libre de la lèvre 130 est chanfreiné à 60° comme indiqué en 166. Le diamètre de la paroi 138 de l'alésage de la soupape est 27,? - 0,0125 uni- De la sorte, lorsque la lèvre flexible 130 est sur sa position de flexion et de contrainte de la figure 1, elle est contractée radialement et une partie importante 30 168 de sa surface latérale s'applique contre la paroi de l'alésage de la soupape par une réaction d'élasticité qui croît entre la base 156 de la lèvre et son bord libre 150. Il s'ensuit que l'usure subie par la surface latérale 134 de la tête ne peut donner lieu à des fuites d'air autour de sa lèvre d'étanchéité. Cette lèvre elle-35 même compense automatiquement par son élasticité l^usure qu'elle subit, de sorte que toute usure anormale due, par exemple, à un défaut de centrage de la soupape ou au contact de frottement de la tête de la soupape dans son alésage, est automatiquement compensée par l'élasticité de sa lèvre flexible contractée. Des têtes de sou-40 pape munies d'une-lèvre d'étanchéité conforme à celle qui vient BAD ORIGINAL^ 70 39661 20/U1Vd d'être décrite et incorporées sans lubrification dans un système pneumatique ont effectué plus de JO millions de cycles opératoires sans défaillance, ce qui correspond à une durée de vie utile égale ou supérieure au décuple de la durée nominale de vie utile des 5 soupapes de construction classique. L'angle 164 d'inclinaison des génératrices de la surface latérale de la lèvre sur l'axe de la soupape détermine la largeur de sa partie annulaire qui est appliquée contre la paroi d'alésage de la soupape. Pour un angle 164 de 25°, que l'on peut considé-10 rer comme étant approximativement l'angle maximal qui permet d'obtenir vine surface de contact de la lèvre suffisante pour obtenir la compensation automatique désirée de l'usure de la lèvre, la largeur théorique de la surface de contact cylindrique de la lèvre contre la paroi de l'alésage est, dans le mode de réalisation de 15 l'invention représenté, 1,78 mm environ.' Pour un angle 164 de 7% qui peut être considéré comme étant approximativement l'angle minimum qui permette de mettre la lèvre flexible sous une contrainte suffisante pour y créer des réactions élastiques désirées, la longueur théorique de la surface cylindrique de contact de la lèvre 20 sur la paroi de l'alésage est, dans le mode de réalisation représenté, 6,73 nim environ. A titre d'exemple, pour un angle 164 inter médiaire de 16° d'ouverture, cette largeur théorique est d'environ de 2,87 mm. Les dimensions de la lèvre flexible 130 peuvent varier en 25 tre certaines limites imposées par la résistance, l'élasticité et la souplesse que doit avoir cette lèvre. Dans le mode de réalisation de l'invention représenté, l'épaisseur de cette lèvre doit en général être comprise entre 2,86 et 1,02 mm ; sa largeur mesurée parallèlement à l'axe de la soupape doit en général être comprise 30 entre 9,53 et 9,175 mm ; et son diamètre extérieur maximal doit ê-tre en général compris entre 29*5 28,2 mm. Ces dimensions sont celles que doit avoir la lèvre d'étanchéité d'une soupape destinée à être montée dans un alésage dont le diamètre est 27>l8 mm et déterminent les relations générales qui doivent exister entre les 35 dimensions des diverses parties de la soupape pour que soient obtenus les avantages exceptionnels présentés par l'invention, les proportions indiquées étant applicables à des têtes de soupapes d'autres diamètres destinées à d'autres applications. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de 40 réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire SAD ORIGINAL 1 70 39661 7" 2070193 susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. 70 39661 8. 2070193 REVENDICATIONS 1 - Agencement d'une tête de soupape mobile et d'un alésage formé par le corps d'une soupape destinée à être utilisée dans un système industriel de distribution d'air comprimé pour y comman-5 der l'écoulement d'un air comprimé sous forte pression par les mouvements de coulissement de la tête de la soupape suivant l'axe de l'alésage dans laquelle elle est logée entre une position d'ouverture et une position de fermeture du passage de l'air comprimé sur un certain trajet ; cet agencement étant caractérisé en ce qu'il 10 comprend : un alésage de soupape cylindrique présentant un axe longitudinal et fermé à l'une de ses extrémités par une paroi transversale ; une tête de soupape monobloc de forme générale cylindrique faite en une matière plastique polymère, flexible et auto-lu-brifiante ; une surface transversale formée par la face de cette 15 tête de soupape qui est tournée vers ladite paroi transversale et qui délimite ainsi avec cette paroi une chambre de pression ; une rainure circulaire de dégagement taillée dans cette tête de soupape, s'ouvrant sur ladite face de la tête dans la chambre de pression, concentrique avec l'axe dé la soupape, s'étendant en direc-20 tion axiale à partir de ladite surface axiale dans le sens qui l'éloigné de ladite paroi transversale, pénétrant dans la tête de soupape à partir de ladite surface transversale et se terminant au voisinage de la face opposée de cette tête ; une lèvre d'étanchéité annulaire en forme de jupe formée dans la tête de soupape par 25 ladite rainure de dégagement annulaire et s'écartant progressivement et radialement autour de cette tête par rapport à son axe en direction de ladite surface transversale et de ladite chambre de pression jet une surface d'étanchéité extérieure située sur la paroi latérale de cette lèvre, s'étendant en largeur en direction 30 axiale vers ladite surface transversale et vers ladite chambre de pression, et dont les génératrices sont inclinées vers 1'extérieur par rapport à l'axe longitudinal de la soupape ; le diamètre et la largeur de la lèvre d'étanchéité et l'inclinaison de ses génératrices sur l'axe de l'alésage de la soupape étant tels que cette 35 lèvre se trouve contractée élastiquement autour- 70 39661 9. 2070193 bir la lèvre d1étanchéité dans sa partie qui forme ladite surface cylindrique de contact. 2 - Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite surface cylindrique de contact a une largeur d'envi- 5 ron 1,78 mm» 3 - Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle d'inclinaison des génératrices de la lèvre d'étanchéité est égal environ à 7° • 4 - Agencement selon la revendication 1, caractérisé en 10 ce que l'angle d'inclinaison des génératrices de la lèvre d'étanchéité est compris entre 7 et 25° environ. 5 - Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que-la largeur de la lèvre d'étanchéité mesurée en direction a-xiale entre son bord libre et le fond de la rainure de dégagement 15 est supérieur à 3 mm environ. 6 - Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la largeur de la lèvre d'étanchéité mesurée en direction a-xiale entre son bord libre et le fond de la rainure de dégagement est comprise entre 3 et 9,5 mm environ. 20 7 - Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la largeur de la lèvre d'étanchéité mesurée en direction a-xiale entre son bord libre et le fond de la rainure de dégagement est moindre que l'épaisseur de la tête de soupape mesurée en direction axiale entre le fond de la rainure de dégagement et ladi-35 te surface transversale.