Brevet FR2468814A1 — publié le 19810508

La présente invention a pour objet un servo-moteur pneumatique comportant, pour l'actionnement de la tige d'un obturateur, une membrane reliée à cette tige, qui est soumise à l'action d'un ressort tendant à placer l'obturateur dans l'une de ses positions extrêmes et qui peut être déplacéeà l'encontre de cette action par un fluide pneumatique de commande exerçant une pression sur la face de la membrane opposée au ressort. De façon classique, dans les servo-moteurs de ce type, il y a un accouplement direct entre la tige de l'obturateur et la membrane. Cette disposition a notamment comme inconvénient que, dans le cas où le ressort sollicite l'ob- turateur dans le sens de la fermeture, l'effort initial que doit exercer le ressort dans le sens de l'ouverture est extrêmement élevé.De plus, lorsque les efforts de sortie sont importants il est nécessaire de prévoir un positionneur ou un multiplicateur de pression, ce qui entraîne une dépense supplémentaire d'air comprimé et par conséquent d'énergie Pour remédier à ces inconvénients l'invention propose de réaliser un servo-moteur du type mentionné, caractérisé en ce que la membrane est reliée à la tige de l'obturateur par une tringlerie comprenant une tige de liaison dont l'une des extrémités est fixée à la membrane et dont l'autre extrémité forme une articulation qui se confond avec l'articulation commune aux deux-biellettes d'une genouil ibère, dont l'une des biellettes est reliée à la tige de l'obturateur. Dans le cas où, l'obturateur étant sollicité en position de fermeture par le ressort, la genouillère est déployée pour cette position, l'effort qui s'exerce sur l'obturateur est considérable et, de plus, ce dernier bénéficie d'une stabilité remarquable dans toute position d'ouverture partielle voisine de la position de fermeture. En outre le ressort peut être relativement faible. L'une des biellettes de la genouillère peut etre articulée directement sur la tige de l'obturateur, l'autre biellette étant articulée en un point fixe du corps de servomoteur. I1 est également possible que, suivant une disposition plus élaborée, l'une des biellettes de la genouillère soit articulée en un point fixe du corps, et l'autre biellette articulée à l'une des extrémités d'un levier monté pivotant sur le corps à son autre extrémité, une biellette auxiliaire reliant à l'extrémité adjacente de la tige d'obturateur un point intermédiaire du levier. Le servo-moteur suivant l'invention peut être appliqué à la commande d'une vanne de régulation ou d'une vanne de sectionnement dont l'obturateur est, par exemple, une soupape, une sphère ou un papillon. L'invention sera explicitée au cours de la description qui va suivre, en se référant au dessin annexé, dans lequel - la fig. 1 représente en coupe axiale un servomoteur suivant l'invention appliqué à la commande d'une vanne de régulation; - les fig. 2 à 4 sont des vues schématiques de variantes du servo-moteur de la figure 1; - les fig. 5 et 6 sont des diagrammes représentant respectivement les variations de l'effort en fonction de la course de fermeture et la course en fonction de la pression du fluide pneumatique. Le servo-moteur 1 de la figure 1 est combiné avec une vanne de régulation 2 qui est, dans l'ensemble, conforme à l'objet de la demande FR 78 21693 au nom du déposant. Cette vanne comprend un corps 3 en deux parties 3a, 3b, boulonnées l'une à l'autre en 4. La partie 3a comporte un conduit 6 d'admission d'un fluide à haute pression et un conduit de sortie 7, reliés l'un et l'autre à une chambre axiale 8 dans laquelle est retenu un noyau 9 dont la face terminale 11 constitue un siège pour un obturateur 12,formant soupape, disposé à la partie inférieure d'une tige 13 engagée de façon coulissante dans un alésage central 14 du noyau 9, le long duquel est formée dans le noyau une série de cavités plates 16 destinées à imposer des détentes successives au fluide à haute pression circulant dans l'alésage 14,.qui s'échappe finalement à travers le conduit de sortie 7 après avoir franchi les canaux radiaux 17. La tige d'obturateur 13 se prolonge à travers la partie 3b du corps de vanne, où elle est guidée par un manchon terminal 18 engagé dans un alésage 19 qui reçoit un presseétoupe 21 entourant la tige 13. Sur l'extrémité supérieure de la partie 36 du corps de vanne est fixée en 22 l'extrémité inférieure de l'arcade 23 du corps 24 du servo-moteur 1. Sur ce corps 24 est formée, au-dessus de l'arcade 23, une partie tubulaire 26 orientée perpendiculairement à la tige 13, sur la section terminale de laquelle est boulonné le fond 27 d'une demi-coquille 28 comportant un rebord 28a au contact duquel est serré le bord périphérique d'une membrane 29, sous l'effet de la pression exercée par le rebord 31a d'une seconde semi-coquille 31 assemblée avec la première au moyen de boulons 32 traversant les rebords et la membrane. La demi-coquille 31 délimite avec la face correspondante de la membrane 29 une chambre pneumatique 32 dans laquelle de l'air comprimé peut être injecté à travers une tubulure 33. La partie centrale de la membrane 29 est emprisonnée entre deux plateaux 34, 36 serrés au contact des faces de la membrane par des écrous 37 vissés sur le filetage de l'une des extrémités d'une tige de liaison 38 dont l'autre extrémité est munie d'une ferrure 39 qui traverse une ou verture 40 d'une paroi verticale du corps délimitant une chambre 45 située à l'aplomb et au-dessus de l'arcade 23. Sur cette ferrure est monté, à l'intérieur de la chambre 45, un axe horizontal 41 qui constitue l'articulation commune aux deux biellettes 42, 43 d'une genouillère, dont l'une, 42, est articulée en un point fixe 44 du corps tandis que l'autre, 43, est articulée à l'une des extrémités 50 d'un levier 46 monté pivotant à son autre extrémité en un point fixe 47 du corps situé dans un angle de la chambre 45, qui est opposé à l'angle où se trouve l'articulation 44 de la biellette 42. Une biellette auxiliaire 48 relie un point intermédiaire 49 du levier 46 à un axe 51 monté sur l'extrémité d'un prolongement 13a de la tige d'obturateur 13, qui est guidé dans une ouverture 52 du voile horizontal du corps séparant la chambre 45 de l'arcade 23. Un ressort de compression 53, antagoniste à Sa.nression éventuelle de la chambre pneumatique 32 et situé à l'intérieur du tube 26, entoure la tige de liaison 38 et prend appui sur le plateau de membrane 36 et sur la surface du corps dans laquelle est formée l'ouverture 40. Dans la position représentée, qui est une position de repos, la chambre pneumatique 32 est soumise à la pression atmosphérique, de sorte que le ressort 53, qui est à l'état de compression minimale, maintient la genouillère dans sa position de déploiement maximal, définie par le contact du levier supérieur 46 avec une butée 54, pour laquelle les biellettes 42, 43 sont presque alignées. La traction vers le haut exercée par la biellette auxiliaire 48 sur la tige 13 applique fortement l'obturateur 12 sur son siège 11, en assurant ainsi une bonne étanchéité. Lorsque sous l'effet des consignes de réglage ou d'ouverture, de l'air comprimé est admis dans la chambre pneumatique 32, à travers la tubulure 33, la membrane 29 se déplace vers la droite en comprimant le ressort 53, la biellette 42 pivote autour de l'axe 44, de sorte que la genouillère tend à se fermer et que la biellette 43 fait pivoter le levier 46 dans le sens contraire aux aiguilles d'une montre. I1 en résulte que, par l'intermédiaire de la biellette auxiliaire 48, la tige 13 est poussée vers le bas, ce qui dégage la soupape 12 de son siège, en permettant ainsi au fluide de circuler entre les conduits 6 et 7. Lorsque la pression dans la chambre 32 diminue, les mouvements ont lieu en sens inverse. L'effort qui s'exerce sur l'obturateur 12, en position fermée, se calcule en fonction de l'effort donné par l'air comprimé ou par le ressort 53 sur la membrane 29, par détermination des forces et des moments en fonction des angles. Par exemple, pour une membrane de 200 mm de diamètre avec un ressort d'échelle 3-l5PSIG -soit 0,210 à 1,060 bar pour une compression de 0,2 bar sur le ressort - l'effort sur la tige 13, et donc sur l'obturateur 12, est de 275 daN pour un angle de 40 entre les biellettes 42 et 43 et 600 daN pour un angle de 20. La variation de l'effort est représentée sur la figure 5 en fonction de la course mesurée en pourcentage de l'amplitude totale. La variation de course en fonction de la pression d'alimentation de la chambre 32 du servo-moteur mesurée en pourcentage de la pression maximale, est représentée à la figure 6. On constate qu'au démarrage de l'ouverture il faut de grandes variations de pression d'alimentation pour obtenir une faible variation de course. La loi de variation est proche d'une loi exponentielle et, dans cette période de mouvement, les efforts développés par le servomoteur sont maximum. Comme dans l'exemple représenté, ce phénomène trouve une excellente application en régulation, où l'on recher che une grande stabilité au voisinage de la position de fermeture d'un obturateur sur son siège, c'est-à-dire au moment où les rapports de détente sont maximum, où la vitesse d'écoulement du fluide détendu est maximale dans un espace restreint et où les efforts dynamiques sur l'obturateur sont maximum. Dans cette position le servo-moteur suivant l'invention, malgré une faible pression sur la membrane ou un ressort peu taré,assure un positionnement rapide et stable quelles que soient les variations d'effort dynamique. Un servo-moteur de section équivalente, à accouplement direct, demanderait un ressort donnant un effort au démarrage 9 à 20 fois plus important que celui donné par le ressort 53 du servo-moteur décrit, pour un effort de sortie équivalent. Le servo-moteur suivant l'invention peut être alimenté directement par les signaux pneumatiques émis par les régulateurs pneumatiques conventionnels, d'où une économie sensible d'énergie. Les figures 2 à 4 représentent des exemples du servomoteur suivant l'invention qui correspondent à un mode d'exécution simplifié par rapport à l'exemple de la figure 1. En effet, l'une des biellettes, 42, est articulée directement, en 51, sur l'extrémité du prolongement 13a de la tige 13 de l'obturateur 12. A la figure 2 cet obturateur est, comme à la figure 1, à montage "inverse", alors qu'aux figures 3 et 4 le montage est direct, c'est-à-dire qu'en position fermée la tige 13 est en compression. Ces deux dernières figures correspondent aux cas où le ressort 53 sollicite la soupape 12 respectivement à la fermeture, comme à la figure 1, et à l'ouverture. - REVENDICATIONS 1 - Servo-moteur pneumatique comportant, pour l'actionnement de la tige d'un obturateur, une membrane reliée à cette tige, qui est soumise à l'action d'un ressort tendant à placer l'obturateur dans l'une de ses positions ex trêmes et qui peut être déplacée à l'encontre de cette action par un fluide pneumatique de commande exerçant une pression sur la face de la membrane opposée au ressort, caractérisé en ce que la membrane (29) est reliée à la tige de l'obturateur (13) par une tringlerie comprenant une tige de liaison (38) dont l'une des extrémités est fixée à la membrane et dont l'autre extrémité comporte une articulation (41) qui se confond avec l'articulation commune aux deux biellettes (42, 43) d'une genouillère, dont l'une des biellettes est reliée à la tige (13) de l'obturateur (12). 2 - Servo-moteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'une des biellettes (42) de la genouillère est articulée directement sur la tige (13) de l'obturateur, l'autre biellette (43) étant articulée en un point fixe (56) du corps de servo-moteur. 3 - Servo-moteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'une des biellettes (42) de la genouillère est articulée en un point fixe (44) du corps et l'autre biellette (43) est articulée à l'une des extrémités (50) d'un levier (46) monté pivotant sur le corps à son autre extrémité (47), une biellette auxiliaire (48) reliant à l'extrémité adjacente (51) de la tige d'obturateur (13,13a) un point intermédiaire (49) du levier (46). 4 - Servo-moteur suivant l'une des revendications 1 à 3, dont le corps comporte une arcade destinée à être assemblée avec le corps d'une vanne, que traverse la tige d'obturateur, caractérisé en ce que, au-dessus de l'arcade (23),es formée dans le corps du servo-moteur une chambre (45) dans laquelle est disposée la genouillère (42, 43) et dont une paroi, munie d'une ouverture (40) pour le passage.de la tige de liaison (38), est solidaire d'une partie tubulaire (26) s'étendant vers l'extérieur dans une direction perpendiculaire à la tige d'obturateur (13), à l'extrémité de laquelle est fixé le fond (27) de l'une des demi-coquilles (28, 31) entre lesquelles est serrée la membrane (29). 5 - Servo-moteur suivant l'une des-revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la tige de l'obturateur (13) fait partie d'une vanne de régulation. 6 - Servo-moteur suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la tige de l'obturateur (13) fait partie d'une vanne de sectionnement, l'obturateur étant, par exemple, une soupape, une sphère ou un papillon.