Brevet FR2514095A1 — publié le 19830408

L'invention concerne un actionneur à pression de fluide du type utilisé pour commander le mouvement de la tige de manoeuvre d'une vanne par rapport au corps de la vanne, le mouvement de l'actionneur, provoqué par la pres- sion d'un fluide, rencontrant la résistance d'un ressort tel qu'un empilage de rondelles élastiques Belleville. Il existe de nombreux actionneurs à pression de fluide pour vannes qui ont été proposés jusqu'à présent. Dans pratiquement tous les cas, l'actionneur à pression de fluide comprend un piston monté sur une tige qui elle- même est reliée à la tige de la vanne Ce piston coopère avec la paroi intérieure d'un cylindre et un ressort tend à s'opposer aux mouvements, produits par la pression du fluide, du piston par rapport au cylindre Dans des opé- rations effectuées sur des champs de pétrole, par exemple, il est souhaitable d'utiliser des ressorts Belleville pour produire un accroissement très rapide de la force opposée par le ressort en fonction du déplacement du piston Cependant, ainsi qu'il est bien connu, lés ressorts du type Belleville ne peuvent être disposés de manière que leurs bords puissent entrer en contact avec les sur- faces d'appui ou d'étanchéité du cylindre ou de la tige du piston, car les bords de ces ressorts tendent à rainu- rer ou à ablmer toutes surfaces les entourant étroitement. Il a donc été nécessaire de prévoir des logements spéciaux pour les ressorts dans des actionneurs à pression de fluide utilisant des ressorts Belleville. La hauteur ou longueur axiale totale d'un action- neur est également importante Si le piston doit être déplacé sur une certaine distance par la pression du fluide, la course du piston sera S et la longueur axiale de l'ac- tionneur sera sensiblement supérieure à 2 S, en raison de la longueur demandée par la hauteur du ressort de rappel à l'état complètement comprimé sous le piston dans sa po- sition la plus basse S'il est en outre nécessaire de prévoir une tige d'indication sur une extrémité du piston faisant saillie du cylindre afin d'indiquer si la vanne est dans sa position actionnée par pression ou dans sa position rappelée par ressort, la longueur axiale totale de l'ac- tionneur est élevée à environ 3 S Il est donc souhaitable de prévoir un actionneur, comprenant une tige d'indication, dont la longueur axiale totale ne dépasse pas sensiblement deux fois la longueur de la course du piston. L'invention concerne un actionneur à pression de fluide destiné à une vanne du type comportant un corps fixe et une tige mobile de commande, actionneur dans le- quel le piston est défini par une partie en saillie vers l'intérieur d'une paroi extrême d'un corps fixe qui est convenablement fixé au corps de la vanne Le cylindre est défini par un élément en forme de coupelle, mobile axia- lement, qui coopère avec la surface cylindrique extérieu- re du piston fixe et qui est relié fonctionnellement à la tige de la vanne Une pile de rondelles élastiques Belle- ville s'oppose au mouvement du cylindre et est montée dans un espace annulaire défini entre la paroi intérieure du corps de l'actionneur et la paroi extérieure du cylindre en forme de coupelle Il en résulte une structure extrê- mement compacte, totalement efficace pour opposer un de- gré élevé de résistance élastique au-mouvement de l'ac- tionneur provoqué par la pression d'un fluide, tout en formant simultanément un logement convenable pour les rondelles élastiques Belleville et en les isolant de tout contact avec toute surface d'appui ou d'étanchéité. Si une tige d'indication est nécessaire, cette tige peut comprendre un élément en forme de tringle qui est monté de façon à pouvoir coulisser de manière étanche dans un alésage formé dans le piston fixe, et qui est convenablement fixé au cylindre mobile La tige d'indica- tion coïncide-donc à peu près axialement avec le cylindre mobile et la hauteur ou longueur axiale globale de l'action- neur n'est donc que légèrement supérieure à deux fois la course du cylindre mobile. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels la figure i est une coupe verticale schématique 2514095- de l'actionneur à pression de fluide selon l'invention, dont les éléments sont représentés en position de repos; la figure 2 est une vue analogue à celle de la fi- gure 1, montrant les éléments de l'actionneur dans les positions qu'ils occupent lorsqu'une pression de fluide est appliquée à l'actionneur; la figure 3 est une coupe verticale d'une variante de l'actionneur à pression de fluide selon l'invention, comprenant une tige d'indication, les éléments de cet actionneur étant représentés dans leur position de repos; et la figure 4 est une vue analogue a celle de la fi- gure 3, montrant les éléments de l'actionneur dans les positions qu'ils occupent lorsqu'une pression de fluide est appliquée à cet actionneur. Sur les figures 1 et 2, la référence numérique 10 désigne globalement un actionneur à pression selon l'in- vention qui est utilisé pour commander le déplacement d'une tige la de manoeuvre d'une vanne 1 comportant un corps fixe lb La réalisation-de cette vanne n'entre pas dans le cadre de l'invention et la vanne n'est donc représentée que schématiquement sur les dessins. L'actionneur 10 comprend un corps annulaire fixe il en forme de coupelle, comportant une paroi cylindrique 1 ib et un fond extrême fermé lia La paroi llb porte une élément annulaire 15 de montage comportant une bride radiale 15 a qui est retenue en arrière d'un ressort 16 en C qui est emboîté élastiquement dans une gorge appropriée réalisée dans l'ex- trémité ouverte extérieure du corps il en forme de coupelle Des boulons 17 et des rondelles larges complètent-la fixation de l'élément 15 de montage sur le corps 11 L'élément annu- laire 15 de montage comporte également un manchon axial 15 b qui entoure -le chapeau de la vanne 1 et qui est fixé à celui- ci par plusieurs boulons (non représentés) passant dans des trous radiaux 15 c ménagés dans ce manchon 15 b. Un piston llc orienté vers le haut est réalisé d'une seule pièce avec la base lia du corps extérieur 11 en forme de coupelle; le piston llc présente, à proximité de son extrémité extérieure, une gorge appropriée lid qui loge un joint torique dynamique 12 d'étanchéité. Un cylindre 20 sensiblement en forme de coupelle comporte une base pleine 20 a et une paroi cylindrique 20 b. -La surface intérieure 20 c de la-paroi 20 b peut coulisser de manière étanche contre le joint dynamique 12 et, par consé- quent, une chambre PC à pression de fluide est formée entre la face extrême 11 f du piston fixe lic et la base 20 a du cylindre 20 en forme de coupelle Un fluide sous pression est introduit dans la chambre à pression PC par un canal axial 11 e ménagé dans le piston fixe lic Par consé- quent, lorsqu'un fluide sous pression est introduit dans le canal lie, le cylindre 20 en forme de coupelle est poussé axialement vers l'extrémité ouverte du corps 11 en forme de coupelle. Des moyens appropriés sont prévus pour relier la tige la de commande de la vanne 1 au cylindre 20 Par exem- ple, une rainure 20 d de forme en T peut être réalisée dans la base 20 a du cylindre 20 pour s'enclencher avec une tête de forme correspondante située sur la tige la de commande de la vanne 1 Ainsi, la tige la de commande peut être déplacée axialement avec les mouvements du cylindre 20. Pour s'opposer élastiquement au mouvement du cylin- dre 20 provoqué par la pression d'un fluide, une pile de rondelles élastiques Belleville 25 est montée dans l'évide- ment annulaire défini entre la paroi extérieure du cylindre et la surface intérieure de la paroi annulaire lib du corps extérieur 11 en forme de coupelle L'extrémité ou- verte du cylindre 20 comporte une bride 20 e faisant saillie radialement vers l'extérieur, qui forme un siège pour la pile de rondelles Belleville 25 L'autre extrémité de la pile de rondelles 25 est retenue en portant contre la surface intérieure 15 d de la bride radiale 15 a de l'élément de montage. La figure 1 montre les éléments de l'actionneur dans les positions qu'ils occupent lorsqu'aucune pression de fluide n'est appliquée à la chambre à pression PC Le cylindre 20 est disposé de manière que son extrémité ou- verte Soit immédiatement adjacente à l'extrémité fermée lia du corps extérieur 11. Comme montré sur la figure 2, lorsqu'un fluide sous pression est introduit dans la chambre à pression PC, le cylindre 20 est déplacé vers l'extrémité ouverte du corps extérieur 11, ce qui déplace la tige la de la vanne par rapport au corps 1 de la vanne et provoque l'actionnement de cette dernière Ceci provoque une compression de la pile de rondelles élastiques Belleville et on peut noter que, lorsqu'elles sont comprimées, les rondelles Belleville sont maintenues intérieurement par la paroi extérieure du cylin- dre 20 Lorsqu'elles ne sont pas en charge (figure 1), les rondelles Belleville sont maintenues extérieurement par la surface intérieure de la paroi llb du corps extérieur 11. Ainsi, toute inclinaison ou déformation de la pile de ron- delles élastiques sous la charge produite par l'application de la pression d'un fluide dans la chambre PC est prati- quement interdite, et toutes les surfaces d'appui ou d'étan- chéité de l'actionneur sont protégées de tout contact avec les rondelles Belleville. Les figure 3 et 4 représentent une autre forme de réalisation de l'invention dans laquelle l'actionneur perfectionné présente une longueur globale minimale et est équipé d'une tige d'indication L'actionneur 100 comprend un mancxon extérieur 102 de corps comprenant une partie extrême 102 a épaissie radialement, qui est traversée par une vis 104 de blocage pénétrant dans le chapeau 202 d'un corps de vanne 200 Le manchon 102 de corps est fixé principalement au chapeau 202 par un manchon 106 de retenue qui présente des filets intérieurs 106 a en prise avec une partie filetée du chapeau 202, et un épaulement 106 b fai- sant saillie vers l'intérieur et portant contre l'épau- lement défini par la partie épaissie 102 a du manchon 102 de corps La vis 104 de blocage peut être remplacée par des moyens de boulonnage s'il est souhaitable de supprimer le manchon 102 de corps dans une application particulière quelconque de la vanne. Les extrémités opposées du manchon 102 de corps 2514 095 présentent des gorges annulaires destinées à loger respec- tivement deux anneaux 108 de retenue en C Les anneaux en C 108 sont disposés respectivement sur les côtés opposés d'une pile de rondelles Belleville et ils maintiennent effi- cacement la pile lorsque le corps 102 est retiré du chapeau 202 de la vanne pendant le démontage de l'actionneur pour des opérations d'entretien, d'installation ou de suppres- -sion Une paroi extrême 110 est fixée efficacement au manchon de corps 102 par un jeu de boulons 101 faisant saillie radialement, qui sont vissés à travers le manchon 102 de corps et qui portent contre une surface inclinée li Qa de l'élément extrême 110, déplaçant ce dernier vers l'extérieur le long de l'axe de l'actionneur pour le faire porter contre un troisième anneau 111 de retenue en C placé à proximité immédiate de cet élément extrême et dans une gorge ménagée dans l'extrémité inférieure du manchon de corps 102 L'élé- ment de paroi extrême 110 comporte une saillie axiale annu- laire 112 orientée vers l'intérieur, qui définit une surface cylindrique extérieure 112 a de piston. Un cylindre mobile 120 sensiblement en forme de coupelle présente un alésage intérieur pouvant coulisser de manière étanche par rapport à la surface cylindrique 112 a du piston Un joint classique,113 est placé dans l'extrémité intérieure dé la surface 112 a du piston pour assurer l'étan- chéité entre ce dernier et la surface 120 a de l'alésage du cylindre La paroi extrême 120 b du cylindre 120 en forme de coupelle présente un alésage central 120 c permettant à ce cylindre 120 d'être monté sur la tige 206 de la vanne logée dans le corps 200 et dans le chapeau 202 Cette vanne est entièrement classique; elle n'entre pas dans le cadre de l'invention et elle ne sera donc pas décrite plus en détail. La face extérieure de la paroi extrême 120 b du cy- lindre 120 en forme de coupelle porte contre un épaulement radial 206 a situé sur la tige 206 de la vanne et elle trans- met donc à cette tige les forces induites par la pression du fluide L'extrémité extérieure de la tige 206 de la van- ne est filetée, comme indiqué en 206 c, et ces filets coopé- rent avec des filets internes réalisés dans une tige 130 d'indication de la position de la vanne La surface cylin- drique extérieure 130 a de la tige 130 passe dans un alésage 112 d réalisé dans l'extrémité intérieure de la saillie annulaire intérieure 112 Un joint 116 est monté dans l'alé- sage 112 d et réalise un contact étanche avec la tige indi- catrice 130 Il apparaît donc que la coopération de la tige indicatrice 130 avec le joint 116 et de l'alésage intérieur a avec le joint constitue une chambre 125 à pression de fluide qui peut être alimentée sélectivement en fluide sous pression par un canal 112 c réalisé dans la saillie annulaire 112. La paroi extrême intérieure du cylindre 120 en forme de coupelle est épaissie radialement pour former un épau- lement 120 d sur lequel peut prendre appui un élément à res- sort compressible 135 De préférence, cet élément à ressort comprend une pile de rondelles Belleville 135 a L'autre extrémité de la pile porte contre une surface extrême radiale 203 fixée sur le chapeau 202 du corps Il apparaît donc que le ressort 135 est maintenu entre deux surfaces cylindriques dont aucune ne constitue une surface d'appui ou d'étanchéité de-l'ensemble. Lorsqu'aucune pression de fluide n'est appliquée à la chambre 125, les éléments décrits ci-dessus occupent des positions montrées sur la figure 3 et le ressort 135 est complètement déployé Lors de l'application d'un fluide sous pression dans la chambre de pression 125, les éléments du dispositif se déplacent vers la position montrée sur la figure 4 dans laquelle la tige 206 de commande de la vanne est déplacée axialement pour ouvrir ou fermer la vanne, - suivant le cas, sur une distance égale à la course du cy- lindre mobile 120, cette distance étant indiquée sur la figure 4 sous la forme d'une courbe S Il apparaît donc que la longueur axiale globale de l'actionneur décrit n'est essentiellement que légèrement supérieure à 25. Dans la position de repos montrée sur la figure 3, l'extrémité extérieure 130 b de la tige indicatrice 130 ne fait saillie-que légèrement de la paroi extrême 110 de l'actionneur, fournissant ainsi une indication visuelle nette de la position de la vanne en ce point Lorsque l'actionneur est alimenté en fluide sous pression pour déplacer le cylindre 120 vers la position montrée sur la figure 4, la tige indicatrice est rétractée à l'intérieur du dispositif, mais son extrémité reste aisément visible par le contre-alésage élargi 112 e ménagé dans la saillie axiale intérieure 112 Ainsi, on obtient une tige indi- catrice sans augmentation notable de la longueur axiale de l'ensemble de l'actionneur au-delà de la distance minimale réglée approximativement au double de la course de l'élément mobile de l'actionneur. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées à l'actionneur décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Actionneur à pression de fluide destiné à une vanne comportant un corps(lb)et une tige de commande(la), caractérisé en ce qu'il comporte un corps annulaire(ll)dont une extrémité peut être fixée au corps(lb)de la vanne ( 1), un piston cylindrique ( 1 lc) monté fixement et concentrique- ment dans l'autre extrémité du corps annulaire et s'éten- dant vers l'intérieur de celui-ci en direction de son extré- mité reliée au corps de vanne, un cylindre ( 20) en forme de coupelle monté de façon à pouvoir coulisser de manière étan- che sur la surface extérieure du piston cylindrique et dé- finissant un espace annulaire entre sa surface extérieure et la surface intérieure de l'alésage du corps annulaire, une bride ( 20 e) qui fait saillie radialement vers l'exté- rieur à l'extrémité ouverte du cylindre en forme de coupelle, un conduit (lie) permettant l'introduction d'un fluide sous pression à l'intérieur du cylindre pour repousser ce dernier vers le corps de la vanne, un élément élastique ( 25) monté dans ledit espace annulaire et portant contre la bride pour s'opposer au mouvement du cylindre produit par la pression du fluide, et des moyens ( 20 d) pour relier le cy- lindre à la tige de commande de la vanne. 2 Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément élastique comprend une pile de rondelles élastiques Belleville ( 25). 3 Actionneur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le piston cylindrique présente un alé- sage central ( 112 d) dans lequel peut coulisser de manière étanche une tige ( 130) d'indication, des moyens ( 206, 206 c) étant destinés à relier l'extrémité intérieure de la tige d'indication au cylindre ( 120) en forme de coupelle pour que la tige et le cylindre se déplacent ensemble. 4 Actionneur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le piston comporte un épaulement extrême ( 110) élargi radialement, des moyens ( 101, ll Oa, 111) étant destinés à fixer cet épaulement ( 110) à l'autre extrémité du corps annulaire ( 102). Actionneur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit conduit comprend un canal d'écoulement de fluide ménagé dans le piston. 6 Actionneur à pression de fluide pour une vanne ( 1) comportant un corps (lb) et une tige (la) de commande, caractérisé en ce qu'il comprend un corps annulaire ( 11) qui présente une-extrémité fermée (lia) et une extrémité opposée ouverte pouvant être reliée au corps de la vanne, un piston cylindrique ( 11 c) monté fixement et concentri- quement sur l'extrémité fermée et pénétrant à l'intérieur du corps annulaire, vers l'extrémité ouverte, un cylindre ( 20) en forme de coupelle monté de manière à pouvoir coulis- ser de façon étanche sur la surface extérieure du piston cylindrique et définissant un espace annulaire entre sa surface extérieure et la surface intérieure de l'alésage du corps annulaire, une bride ( 20 e) qui fait saillie ra- dialement vers l'extérieur à l'extrémité ouverte du cylin- dre en forme de coupelle, un conduit ( 1 le) ménagé dans le piston cylindrique fixe pour alimenter en fluide sous pression l'intérieur du cylindre afin de repousser ce dernier vers la vanne, un élément élastique ( 25) monté dans l'espace annulaire et portant contre la bride pour s'opposer au mouvement du cylindre provoqué par la pres- sion du fluide, et des moyens ( 20 d) situés sur le cylindre pour le relier à la tige de commande de la vanne. 7 Actionneur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'élément élastique comprend une pile de ron- delles élastiques Belleville ( 25). 8 Actionneur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un élément annulaire ( 15) de montage fixé à l'extrémité ouverte du corps et compor- tant une partie radiale ( 15 a) reliée fixement au corps et supportant l'autre extrémité de l'élément élastique, et une partie axiale ( 15 b) pouvant être reliée au corps de la vanne.