Brevet FR2436316A1 — publié le 19800411

L'invention, dueà William Thomas SWEENEY, est relative à un circuit hydraulique de progressivité pour une soupape de commande. Le brevet qui se rapproche le plus de l'invention est le brevet américain nO 1 926 869 (Galloway) ; selon ce document, la vitesse d'avance d'un dispositif mécanique qui est actionné par un piston hydraulique accouplé à un arbre est commandée, en des emplacements présélectionnes, par un circuit hydromécanique. Des moyens pour obtenir les variations de la vitesse d'avance sont cependant radicalement différents de ceux décrits par l'invention. Le dispositif connu utilise une soupape coulissante qui ouvre divers orifices pour assurer la variation de la vitesse du piston à l'intérieur d'un cylindre commande. L'invention, au contraire, consiste en un perfectionnement apporté à un dispositif existant fabriqué par la firme "Fisher Controls" dont le meilleur exemple est décrit dans un bulletin de catalogue nO 61.5 : 320 publié en janvier 1973 et intitulé "320 Series Electro-hydraulic Actuator". Dans cet appareillage, un actionneur de soupape utilise une contre-réaction mécanique aboutissant à une soupape à commande électromagnétique, laquelle est alimentée directement à partir des orifices du cylindre. L'invention vise donc à perfectionner un actionneur électro-hydraulique semblable à celui fabriqué par Fisher Controls et décrit ci-dessus. L'un des problèmes fondamentaux posés par la mise en oeuvre de-l'actionneur électro-hydraulique décrit cidessus est la production d'un coup de bélier hydraulique intense lorsque la soupape commandée par l'actionneur arrive au voisinage de sa position de fermeture. La coupure rapide de l'écoulement de fluide à travers la soupape engendre une action de coup de bélier hydraulique, nocive, en particulier du côté aval delta soupape de commande. Ce coup de bélier peut prendre une intensité telle que les pompes, les soupapes et d'autres appareillages, y compris la canalisation, peuvent être dangereusement sollicités, 'au point de se rompre.L'invention fournit des moyens de fermeture rapide de la soupape, laquelle fermeture rapide est absolument nécessaire à la précision de la commande, et elle empêche en outre l'effet de coup de bélier hydraulique en ralentissant brusquement la fermeture de la soupape, lorsque celle-ci atteint la position où s'effectuerait le coup dr bélier si la soupape était fermée à la meme vitesse. La modification de la vitesse de fermeture est obtenue en détectant mécaniquement la position de l'arbre, en accouplant le cylindre de l'actionneur à la soupape et, une fois obtenue une position prédéterminée, un signal de sortie est engendré par le dispositif détecteur mécanique, lequel signal est appliqué à une soupape montée en série avec l'une des canalisations accouplant la sortie de la soupape hydraulique série à l'un des orifices du cylindre actionneur. La soupape, commandée à distance, peut être constituée par une soupape à commande électro-magnétique, qui est normalement ouverte lorsqu'elle est branchée en-parallèle avec une soupape à aiguille réglée de manière à fournir un écoulement qui réduise essentiellement la vitesse de fermeture de l'arbre du cylindre actionneur.Si la soupape peut être ouverte à n'importe quelle vitesse sans produire de coup de bélier hydraulique, une soupape de retenue peut être montée en parallèle avec la soupape à aiguille, dans un sens tel qu'elle puisse être traversée librement par le fluide lorsque le piston contenu dans le cylindre actionneur est ramené dans le sens d'ouverture de la soupape. Au lieu d'une soupape à commande électromagnétique, on peut utiliser d'autres soupapes pour engendrer une réponse autre que linéaire, lorsqu'on a besoin d'une vitesse de fermeture relativement lente pour une position critique de la soupape au cours de sa fermeture. L'invention est décrite plus en détail ci-après à l'aide de certains de ses modes de réalisation, pris à titre illustratif mais nullement limitatif, en se référant aux dessins annexes, dans lesquels - la figure 1 est une vue d'ensemble schématique de la soupape servo-commandée, montrant la position de la soupape de commande et le fonctionnement du système, associé à un appareillage d'extraction minière à transport de boue - la figure 2 représente graphiquement la vitesse de course en fonction du pourcentage de fermeture de l'arbre de la soupape de commande ; et - la figure 3 représente une variante du système de la figure 1. Dans ces figures, les mêmes références numériques sont utilisées pour désigner les mêmes éléments. L'actionneur électro-hydraulique comprend habituellement une servo-soupape 10 qui comporte un appareillage électrique de commande 11, une entrée mécanique 12 et des orifices de sortie hydrauliques 13 et 14. Les orifices de sortie hydrauliques de la servo-soupape sont accouplés, par des tubes 15 et 16, à des orifices d'entrée 17 et 18 du cylindre actionneur 19. Le cylindre 19 renferme un piston 20 y coulissant, l'étanchéité entre le piston et le cylindre étant assurée, par exemple, à l'aide d'un joint torique 21. Un arbre 25 est accouplé axialement au piston 20 et à une soupape de commande 26. La soupape-26 est une soupape normale pour fluide, par exemple une soupape à bille qui est actionnée par la rotation de la tige de soupape.Divers types de soupape pourraient être utilisés à la place de la soupape à bille 26, pour autant que cette soupape soit actionnée par un élément de fermeture coulissant ou par rotation de sa tige à l'aide de moyens mécaniques appropriés. Une contre-réaction mécanique 27 est accouplée à l'arbre 25 à l'aide d'un collier dé serrage 28 ou d'autres moyens appropriés et à l'entrée mécanique. de contreréaction 12 de la servo-soupape-10. Une source d'eau 30 est raccordée par un tube 31 à l'entrée 32 de la soupape de commande 26. Lasortie 33 de la soupape de commande 26 est raccordée, par un tube 34, à un.distributeur 35 d'une trémie à boue 36.Ta trémie à boue 36 est presque remplie d'eau qui est maintenue à une hauteur correcte à Plaide d'un détecteur de niveau 37 dont la sortie électrique est connectée par un conducteur 39 à un appareil de commande 40. L'appareil de commande 40 comporte une entrée de réglage 41, dont le signal.est comparé au signal arrivant par le conducteur 39, et fournit un signal de sortie, sur un conducteur 42, qui est appliqué à une entrée 43 du dispositif électrique de commande 11 de la servo-soupape 10. Une machine d'extraction 45 extrait du charbon, d'uné manière Buelle, à l'aide d'un certain nombre d'outils 46 et transporte le charbon extrait 47 dans un broyeur 48, par exemple. Le charbon, une fois broyé, tombe, suivant la direction des flèches 49, dans la trémie à boue 36 où il est mélangé avec de liteau, pus évacué à l'aide dsune pompe 50 qui envoie la boue formée dans une canalisation de sortie 51 par laquelle elle est transportée à la surface de la mine, par exemple. L'une des difficultés fondamentales de ce système est le coup de bélier hydraulique extrêmement intense qui se produit lorsque la soupape de commande 26 est fermée rapidement, comme c'est nécessaire pour empêcher l'eau de déborder de la trémie 36. L'invention porte principalement sur des moyens destinés à empêcher que s'établissent des conditions qui entrainent la production d'un coup de bélier hydraulique lors de la fermeture rapide de la soupape de commande 26. On a découvert que la soupape de commande 26 pouvait être fermée rapidement jusqu'à un degré de fermeture d'environ 75%. A ce moment, si la fermeture se poursuivait à la même vitesse il se produirait un coup de bélier, hydraulique. Rouir diminuer la vitesse de fermeture une fois la soupape fermée à 75%, un circuit capteur de position de l'arbre est installé ; ce circuit comprend une came 55 fixée d'une manière réglable par un collier 56 à l'arbre 25, un interrupteur électrique 57 placé de maniere que son bras 58 soit actionné par la came 55, et un circuit de sortie, relié par un conducteur 50 à un électroaimant 60 qui manoeuvre une soupape 61. La soupape 61 est raccordée, par des tubes 62 et 63 montés en série, sur le tube 15, de sorte que le fluide circulant dans le tube 15 traverse la soupape 61. Une seconde soupape 64 est branchée en parallèle avec la soupape 61 ; elle peut être constituée par une soupape à aiguille réglable à un débit d'écoulement prédéterminé ou par une soupape à commande électromagnétique dont l'entrée de commande 65 est reliée par un conducteur 66 à l'appareil de commande de soupape 67. Un point du conducteur 59, en amont de l'électro-aimant 60, est relié de même à l'appareil de commande de soupape 67. Une contre-réaction mécanique 69 peut aussi être prélevée sur la contre-réaction mécanique 27. Selon les modes de fonctionnement désirés, une soupape de retenue 70 peut également être montée en parallèle avec les soupapes 61 et 64. D'autres combinaisons de soupapes peuvent être utilisées, telles que celle illustrée par la figure 3. Un tel système peut être installé entre les points A et B de la figure 1 et est constitué essentiellement par un électro-aimant 60 accouplé à une soupape à commande électromagnétique 61 telle que celle décrite précédemment et par une soupape à aiguille 75 montée en parallèle sur la soupape 61. Selon le mode de fonctionnement désiré, une soupape de retenue peut être branchée de même en parallèle avec les deux soupapes précédentes. On va décrire tout d'abord le fonctionnement du système sans mise en oeuvre de l'invention. L'eau provenant de la source 30 arrive, par le tube 31, à l'entrée 32 de la soupape de commande 26. De cette soupape 26 2:' eau parvient, par la sortie 33 et le tube 34, au distributeur 35 d'où elle arrive dans la trémie 36. L'appareillage détecteur de niveau 37 mesure la hauteur de l'eau dans la trémie 36 et délivre un signal de sortie correspondant à cette hauteur. Cette hauteur varie en fonction de la quantité de charbon, extraite par la machine 45 et amenée au broyeur 48, qui, ainsi qu'on l'a exposé, tombe, suivant la direction des flèches 49, dans la trémie 36. Lorsque le niveau de l'eau varie ainsi, le signal de sortie fourni par le détecteur de niveau 37 à l'appareil de commande 40, par l'intermédiaire du conducteur 39, varie d'une manière correspondante. Lt entrée de réglage 41 a été préalablement préréglée pour un niveau d'eau particulier qui peut par exemple être de quelques centimètres en dessous du bord supérieur de la trémie 36. Dans ces conditions, lorsque le signal présent sur le conducteur 39 varie, sa variation est comparée avec le signal appliqué à l'entrée de réglage 41. L'écart dans un.sens ou dans l'autre entre ces- deux signaux sera traité de manière à fournir un signal de sortie, de l'appareil de commande 40 à 2:' entrée 43 de l'appareillage de commande électrique 11, par l'intermédiaire du conducteur 42. L'appareillage 11 transmet ce signal électrique de variation à la servo-soupape 10 où il est converti en une variation de pression hydraulique et de débit à travers les orifices de sortie 13 et 14.Lorsque, par exemple, le niveau d'eau s'élève exagérément dans la trémie 36, la pression à la sortie 17 augmente, en produisant un écoulement, dans le tube 15, jusqu'à l'orifice d'entrée 17 du cylindre 19. Une diminution de pression se produit à l'orifice 14, en entrainant une baisse de pression à l'orifice 18. La pression augmentant à l'orifice 17 et diminuant à l'orifice 18, le piston 20 se déplace dans le sens de la flèche 80 en provoquant une action de fermeture de la soupape de commande 26. Le degré de fermeture de la soupape 26 dépend de la grandeur du signal reçu par l'appareillage de commande électrique 11. Si le signal correspond à la fermeture complète de la soupape, après que celle-ci a atteint un degré de fermeture de 75c/o et continue son mouvement de fermeture, on obtient un coup de bélier hydraulique intense. Pour éliminer cet inconvénient, un appareillage détecteur de position d'arbre entre en action, la came 55 actionnant le bras d'interrupteur 58, ce qui signale, par le conducteur 59, à l'éleotro-aimant 60, que la position prédéterminée de l'arbre a été atteinte ; à ce moment l'électro-aimant 60-actionne la soupape 61. Lors de la fermeture de la soupape 61, du fluide traverse la soupape 64 (la soupape de retenue 70 est fermée lorsque du fluide s'écoule de l'orifice 13 à l'orifice 17). Si la soupape 64 est constituée, par. exemple, par une soupape à aiguille 75 (une telle soupape est représentée sur la figure 3), le débit de fluide est réduit dans une proportion prédéterminée. On se reportera à cet effet à la figure 2 qui représente, en ordonnées, la vitesse de course et, en abscisses, le pourcentage de fermeture. La ligne 90 indique que le débit total est réalisé jusqu'à ce que soit atteint le degré de fermeture 75fui. A ce moment (point 91) l'électro-aimant 60 ferme la soupape 61 et la vitesse diminue (ligne 92) jusqu'à la valeur 93, jusqu'à ce que la soupape soit fermée à 100%.Cette diminution de vitesse, sur ce graphique, correspond à la moitié de celle correspondant à ltouverture de la soupape à commande électromagnétique 61, mais on pourrait tout aussi bien adopter une autre valeur pour cette diminution de vitesse. Lorsqu'il faut inverser le processus décrit ci-dessus, c' est-à-dire lorsque la soupape de commande 26 doit être ouverte, la soupape à commande électromagnétique 61 demeure nécessairement fermée jusqu'à ce que la came 55 se soit écartée du bras d'interrupteur 68. En l'absence de la soupape de retenue 70, l'ouverture de la soupape 26 s'effectuera, en fonction de son pourcentage de fermeture, de la même manière que pour sa fermeture, le point représentatif de la vitesse parcourant les lignes 93, 92 et 90 de la figure 2. Mais, du fait de la présence de la soupape de retenue, ce point représentatif parcourra les lignes 94, 95 pour aboutir à la ligne 90 de la figure 2. Si la soupape 64 peut être commandée d'une manière proportionnelle par un circuit de commande 67, on peut utiliser toute autre courbe d'ouverture, telle que celle représentée par les lignes 96 ou 97 sur la figure 2. Dans le système représenté sur la figure 3, le fluide parcourant le tube 15 de A à B traversera librement la soupape 61 et, selon un débit prédéterminé, la soupape à aiguille 75. Aucun écoulement ne traversera la soupape de retenue 70. Lorsque la soupape 61 est fermée par l'électro-aimant 60, le seul écoulement qui se produit est celui traversant la soupape 75. On obtient une courbe de fermeture analogue à la courbe 90, 92, 93 de la figure 2. Lorsque 11 écoulement à travers le tube 15 est inversé, la soupape e retenue 70 peut etre parcourue librement, selon la courbe 94, 95, 90 de la figure 2. On a décrit ci-dessus deux variantes de circuit de progressivité conformes à l'invention. il est évident que d'autres combinaisons de circuits pourraient être utilisées sans sortir du cadre de l'invention. il est évident également que le circuit de progressivité n'a pas besoin necessairement d'etre monté dans la canalisatinn hydraulique particulière 15, mais pourrait ltetre dans la canalisation 16 et fonctionner tout aussi bien. En outre, on a représenté un seul circuit détecteur de position d'arbre, mais on pourrait utiliser plusieurs tels circuits pour réduire par échelons la vitesse de fermeture Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes dapplication, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus particulièrement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENI)I CAT IONS 1. Appareillage pour commander la vitesse de déplacement d'un arbre actionnant une soupape de commande actionnée par un système hydraulique qui comprend : un cylindre présentant un premier et un second orifice situés respectivement de chaque côté du piston coulissant dans ce cylindre, un arbre lié au piston et accouplé mécaniquement à ladite soupape de commande, une soupape électro-hydraulique de servo-commande, présentant une entrée électrique et une entrée mécanique et un premier et un second orifice de sortie hydraulique ainsi que des moyens pour accoupler hydrauliquement ces orifices respectivement à chacun des premier et second orifices du cylindre, une contre-réaction mécanique entre l'arbre et l'entrée mécanique de la soupape de servocommande et un appareillage de commande électrique,. raccordé à l'entrée électrique de la soupape de servo-commande et destiné à commander la vitesse de mouvement de l'arbre, lequel appareillage est caractérisé en ce qu'il comporte - des moyens détecteurs de fermeture de la soupape de commande, sensibles à un degré de fermeture présélectionné de cette soupape de commande et délivrant un signal de sortie lorsque ce degré de fermeture présélectionné est atteint, - une soupape commandée par électro-aimant et une soupape susceptible d'être commandée, montée en parallèle avec la soupape commandée par électro-aimant et en série avec l'un des moyens accouplant hydrauliquement le premier ou le second orifice de sortie respectivement au premier et au second orifice du cylindre, - un appareil de commande de soupape présentant une entrée et une sortie et des moyens pour accoupler cette entrée aux moyens détecteurs ainsi que des moyens pour accoupler cette sortie à la soupape susceptible d'etre commandée, et - des moyens, présentant une entrée sensible à l'action du signal de sortie des moyens détecteurs, pour actionner la soupape commandée par électro-aimant. 2. Appareillage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la soupape susceptible d'être commandée présente une section de passage inférieure à celle de la soupape commandée par électroaimant. 3. Appareillage selon la revendication 2, caractérisé en ce que cette section de passage est réglable. 4. Appareillage selon la revendication 1-, caractérisé en ce qu'il comporte une soupape de retenue, branchée en parallèle avec la soupape commandée par électro-aimant et avec la soupape susceptible d'être commandée et disposée de manière à empêcher tout écoulement à travers la soupape de retenue dans l-e sens qui produit la fermeture de la soupape de commande. 5. Appareillage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens détecteurs de fermeture de la soupape de commande comprennent une came réglable, montée sur arbre, et un micro-interrupteur, actionné par cette came et fournissant le signal de sortie appliqué à 1' entrée de la soupape commandée par électro-aimant. 6. Appareillage selon la revendication 5, caractérisé en ce qutil comporte en outre une soupape de retenue, branchée en parallèle avec la soupape actionnée par électro-aimant et avec la soupape susceptible d'être commandée et disposée de manière à empêcher tout écoulement à travers la soupape de retenue dans le sens qui produit la fermeture de la soupape de commande. 7. Appareillage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la soupape susceptible d'être commandée ést constituée par une soupape à aiguille. 8. Appareillage de commande de niveau de liquide, en combinaison avec un système d'extraction minier à transport par boue comportant : une trémie comprenant une ouverture a'entrée d'eau et une ouverture de pompage, des moyens détecteurs de niveau de liquide, disposés dans cette trémie et présentant une sortie électrique, et une soupape de commande dteau montée en série avec l'ouverture d'entrée d'eau, caractérisé en ce qu'il comporte un cylindre, présentant un premier et un second orifice hydraulique et un piston, disposé entre ces orifices et lié à un arbre accouplé à l'arbre d'actionnement d'une soupape de commande, une servosoupape, présentant une entrée électrique et une première et une seconde sortie hydraulique ainsi qu'une entrée mécanique de contreréaction, des moyens détecteurs de position d'arbre présentant une sortie mécanique et une sortie électrique et comportant des moyens pour accoupler cette sortie mécanique à entrée mécanique de contre-réaction de la servo-soupape, des moyens de commande réglables présentant une entrée et une sortie, des moyens pour accoupler la sortie électrique des moyens détecteurs de niveau de liquide à 1! entrée des moyens de commande, des moyens pour accoupler la sortie des moyens de commande à l'entrée électrique de la servo-soupape, une soupape commandée par électro-aimant présentant une entrée électrique et une entrée et une sortie hydraulique, une soupape susceptible d'être commandée, montée en parallèle avec la soupape commandée par électro-aimant, des moyens pour accoupler une sortie hydraulique de la servo-soupape à l'entrée de la soupape actionnée par électro-aimant et des moyens pour accoupler la sortie de la soupape actionnée par électro-aimant au premier orifice hydraulique du cylindre, des moyens pour accoupler la seconde sortie de la servo-soupape au second orifice hydraulique du cylindre et des moyens pour accoupler la sortie électrique des moyens détecteurs de position d'arbre à l'entrée électrique de la soupape actionnée par électro-aimant. 9. Appareillage selon la revendication 8, caractérisé en ce que la soupape susceptible d'être commandée est constituée par une soupape à aiguille. a 10. Appareillage selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu'il comporte une soupape de retenue, branchée hydrauliquement en parallèle avec la soupape commandée par électro-aimant et avec la soupape susceptible autre commandée et disposée de manière à empêcher tout écoulement de liquide à travers la soupape de retenue dans le sens qui produit la fermeture de la soupape de commande.