Brevet FR2550830A1 — publié le 19850222

Les techniques hydrauliques permettent, en plus des possibilités de transformer, de transporter et d'utiliser l'énergie néccessaire on des points ponctuels des machines, d'effectuer la commande distante, de maitriser et de contrôler le comportement des récepteurs concernés, des vérins hydrauliques, en cendrant des mouvements liné@ires, ou des moteurs hydrauli- ques, engendrant des mouvements rotatifs, par éxemple. La commande distants de récepteurs hydrauliques fait appel suivant les besoins et les possibilités techniques à différente types de transmission et à différentes catégories d'énergie, par éxemple; transmission distante utilisant le fluide hydraulique du système comme fluide pilote opérant de petits vérin ou de petits moteurs hydrauliques; transmission distante ayant recours à un circuit annexe faisant appel à de l'air comprime opérant des composants pilotes de technique pneumatique, dans des conditions voisines de la formule fai- sant appel au Fluide hydraulique du système; transmission distante faisant appel à l'énergie électrique, activant des solenoïdes, de technique tout ou rien, operant directement les clapets ou le tiroir du composant hydraulique des étages pilote ou puissance du système, ou de technique proportionnelle, opérant en ce cas les composants hydrauliques suivant les lois régissant l'étage commanda électrique. Certaines exploitations ne peuvent pas s'accommoder d'é@ quipemants utilisant cas techniques et ne peuvent, on consé- quence, ne par permettre l'utilisation de composants stan- dard, largement diffusés, mais présentant des inconvénients et même des impossibilités fondamentales, soit, par exemple, pour des raisons de distance, d'encombrement, de vulnérabili- ou même de géométris et de forme des mouvements concernés, dans la cas de commande distante utilisant les fluides hydrauliques ou pneumatique comme moyen de transmission; soit pour des raisons de sécurité, là ou la commande distante fait appel à l'énergie électrique pour assurer la transmission des ordres et opérer les composants hydrauliques du système, dans le cas ou la technique et la réalisation de l'équipement ne répondant pas aux normas imposées sur les sites d'exploitation de la machine concernée, en atmosphère explosible, en mine grisouteuse ou dans les industries du pétrole, en rafinerie, sur des plats-forme ou sur des tankers, par éxemple. La présente invention concerne la commande électrique distante et autonome de systèmes hydrauliques en atmosphère explosiblo, utilisant pour les étages génération, connexion et transformation de l'ordre, l'énergie électrique, dans le cadre des techniques dites de sécurité intrinsèque et répondant aux normes imposées par les organismes de classification et donnant lieu à agrément, conformément à cas normes; pour mé- moire :Normes UTE-NF-C 23.514, Règles générales et UTE-NF C 23.520, Sécurité Intrinsèque "I", la citation de ces normes n'ayant pas de caractère limitatif, en ce qui concerne l'invention; le présent texte n'ayant pas pour objet de situer les limites des demandes et des agréments s'y rapportant. En plus du caractère prioritaire des paramètres sécurité et respect des normes, les idées directrices principales sui @@antes ont présidé à l'étude préalable de la commande électrique distante et autonome de systèmes hydrauliques en atmosphère explosible, objet de la présente invention. Créer des ansembles ayant un caractère autonome, en ce qui concerne notamment les étages génération et poste de commande électrique, seule formule permettant d'assurer la maî- trise de la source d'énergie et de son utilisation, dans le cadre des normes de sécurité, et évitant an plus de faire "courir" des câbles électriques sur de grandes distances, dans des zones impossible à survailler et à garantir, en mine, dans des tailles à soutènements marchants, par éxemple. Le caractère d'autonomie des étages génération et poste de commande électrique peut, suivant le type de machine et le type d'exploitation sur le site, concerner chaque système hydraulique ou concerner une famille de systèmes hydrauliques se rapportant à une môme machine, sur un soutènement marchant utilisé dans une taille, en mine grisouteuse, par éxemple. Les étages hydrauliques, pilote et puissance, peuvent normalement faire appel à des contrales hydrauliques collec- tives, seuls les paramètres de fluide, de filtration, de pression et de débit, devant être respectés en fonction des composants utilisés. Eviter de créer un matériel universel, anormalement performant, mais un matériel destiné à résoudre les problèmes ponctuels posés par des machines et des engins destinés à l'industrie, aux mines et à la marine offshore, par éxemple,là ou le besoin est mal ou incomplètement satisfait. Eviter de demander à ce matériel des performances de temps de réponse hors de proportion, avec des fonctions de technique tout ou rien, but de cette invention, dans ses premières applications, les fonctions de techniques proportionnelles et asservies faisant éventuellement l'objet d'étude et de réali- sations ultérieures. Eviter de créer des composants nouveaux, notamment en ce qui concerne les étages générateurs, poste de commande élec- trique et moteur électrique, récepteur de pilotage du système dont les performances at la fiabilité seraient à démontrer, mais utiliser ou adapter, dans la mesure du possible, des composants connus et diffuses dans l'industrie, la marine et l'aéraunotique, présentant toutes garanties de qualité,de sécurité et de fiabilité, et répondant aux normes régissant l'utilisation dans les milieux d'exploitations envisagées. Cette démarche permet de maîtriser des ensembles homogè- nes, restant acquis, que dans tous les cas, et indépendam- ment des caractéristiques de chaque composant, ehaque fami1le de composants constituant une commande distante électrique et autonome de systèmes hydrauliques en atmosphère explosible, devra satisfairs auxcontrôles, aux recettes et aux agréments imposés par les normes. Cette invention concerne un composent hydraulique à commande distante électrique, désigné sous le vocable commande distante électrique et autonome de systèmes hydrauliques en atmosphère explosible parmettant, par éxemple, connecté die rectement à un vérin ou à moteur hydraulique, d'assurer le circuits du fluide de travail, flasque ou connecté à un composant hydraulique d'en assurer le pilotage hydraulique, associé à un composant hydraulique, mécanique, pneumatique ou électrique d'en assurer le pilotage, direct ou indirect. A titre d'éxemple, pour simplifier les textes et les planches imageant la commande distants électrique et autonome de systèmes hydrauliques en atmosphère explosible, objet de la présente invention, nous ne retiendrons qu'un type de réslisation portant sur la commande Electro-Hydraulique d'un v*- rin de soutênement marchant utilisé en mina, application correspondant parfaitement aux impératifs de sécurité et aux normes d'agrément, entrant dans la catégorie Sécurité Intrin sèque, norme NF-C- 23.520. La figure 1, présentée sous forme d'un synoptique, image .un type de chaîne de commande distante. La figure 2, image, à titre d'éxemple, un type de distributeur de technique à tiroir, cumulé avec un clapet de non retour piloté. La figura 3, associée à la figure 2, permet d'analyser les circuits hydrauliques du distributeur. La figure 4, représente le schéma hydraulique d'un composant groupant les sous ensembles décrits par les figures précédente. La figure 5, reprand la représentation schématique de la figure 4, simplifiée en vue d'être incorporée à un schéma général. La figure 6, présente un schéma type comportant des cammandes distantes, appliquées à un soutènement marchant utilisé en mine grisoueuse. La figure 1, image, à titre d'éxemple, sous forme d'un synoptique, un type de channe de commande électrique distante et autonome de systèmes hydrauliques en atmosphère explosible. Un ensemble autonome, suivant la chaîne imagée par la fi gura 1, est composée des sous ensembles principaux suivants: Un étage générateur [1], un étage actionneur [2], une connexion électrique [3], entre le générateur [1] et l'action neur [2], un étage hydraulique de distribution de pilotage ou de puissance [4], assurant, suivant le type de schéma retanu, l'alimentation en fluide hydraulique du récepteur. Chaque sous ensemble, suivant la figure 1, et toujours, à titre d'éxemple, peut être constitué des composents suivants: L'étage générateur [1] groupe le générateur de courant électrique C53, de technique accumulateur, par exemple, et le poste électrique de commande et de sécurité [6], comportant, entre autre, las contacteurs de commanda, les valves électriques de sécurité et de détection de fonction et de défaut, le système de désacouplement en vue du remplacement sur le site de l'étage générateur, pour recharge ou révision, l'étage générateur [1] considéré comme l'un des éléments déterminant de la notion sécurité, devant répondre, dans tous les cas et quelque soit la variante de schéma adoptée, aux normes et aux recettes d'agrément régissant la sécurité en atmosphère explo Bible, L'étage actionneur [2] est constitué de composants destinés à transformer le mouvement de rotation du moteur électrique [7] dans las sans + et - en un déplacement de forme lineaire de commande de l'étage hydraulique. Le moteur électrique [7] est, commende depuis le poste de commande et de sécurité [6], entraîne, en rotation le réducteur de synthèse C8) par le jeu de l'accouplement (9); dans cas conditions, an fonction du choix du réducteur de synthèse [8] le Transformateur mécanique [10] de technique vis-noix, par exemple, transforme, d'une part, le mouvement rotatif de sortie du réducteur de synthèse [8] en un mouvement de déplacement linéaire; d'autre part ajuste, suivant les caractéristiques du système réducteur de synthèse [8] et du transformateur mécanique [10] les paramètres temps et effort aux caractéristiques nécessités par l'étage hydraulique de pilotage ou de puiseance [4]. Comme l'étage générateur [1], le moteur électrique [7] doit répondre aux normes et aux recettes d'agrément régis sant la sécurité en atmosphère explosible. La connexion électrique [3], assure les liaisons électriques entre le générateur [1] et l'actionneur [2], cette con nex@on assure les commandes transmises par le poste électri- que de commande et de sécurité [6] et en retour, les contrôles concernant l'opération en cours et les informations rela tires à la sécurité. Comme les étages générateur [1] et le moteur électrique [7] de l'étage actionneur [2], cette connexion doit répondre aux normes et aux recettes d'agrément régissant la sécurité en atmosphère explosible. Un étage générateur (1) peut, suivant le type de schéma hydro-électrique et suivant la machine à opérer, assurer les fonctions d'un soul ou de plusieurs actionneurs. étage hydraulique de distribution de pilotage ou de puissance [4], est représentée à titre d'éxemple, par la fi gure 1, sous la forme schématique d'un distributeur de tech- nique à tiroir [11] type à 3 voies, ce distributeur peut être indifféremment de technique à tiroir, tout ou rien ou propor tionnel, à clapet, à glace à commande linéaire ou rotative ou meme mixte. Dans tous les cas, l'actionneur [2] doit être, par construction, adapté à la technique de distribution considérés, an ce qui concerne notamment les paramètres base de temps, valeur de l'effort mécanique de commande et forme de la commande linéaire, suivant l'éxemple cité, rotative, ou de tech niquo à cames, par éxemple. Pour complèter ce synoptique, trois éxemples de commande du récepteur, le vérin simple effet [12], suivant la figure 1 ont été imagée; commande directe, le distributeur hydraulique [4]assure directement les fonctions du vérin [12]; commande étagée en ayant recours à un distributeur hydraulique de r.- lais [13], piloté hydrauliquement par le distributeur pilots [4], assure les fonctions du vérin hydraulique 12, dans ler cas de débit ou de pression incompatibles avec l'étage hy hydraulique pilote [4], associé à l'actionneur [2]; ou bien encore, le distributeur hydraulique de relai est remplacé par un clapet de non retour piloté hydrauliquement [14] notamment dans les cas ou l'étanchéité absolue du circuit du vérin [12] est exigée. Afin de faciliter l'étudie et l'analyse des circuits hydrauliques les orifices de distribution ont été repérés; orifice P,connecté au circuit général, fluide sous pression; orifice R, connecté au circuit retour général, fluide sens pression; orifice a, connecté au circuit fonction, orifice b, alimentation en fluide du vérin 12. La figure Z, représentée pour mémoire, fait appel à des éléments classiques utilisés dans la construction des composants de distribution hydraulique de fluide sous pression, destinés à assurer les fonctions de récepteurs, de technique vérins ou moteurs hydrauliques, ou le pilotage d'étages hydrauliques relais, par éxemple. A titre d'éxemple le distributeur hydraulique [11] représenté par la figure 2; destiné, dans son principe, à l'équipement de soutènements marchents de mine permet de satisfai re aux caractéristiques de telles machines, fluide de sécu- rité de viscosité d Engler, pression de service 300-450 bars, tenue longue durée en étanchéité absolue, 9ans parler des caractéristiques peu lubrifiantes et agressives du fluide et de l'ambiance; fait appel au cumul des techniques de distribu- tion à tiroirs et à clapets de non retour,superposés. De plus, pour éxemple et information, il doit être précisé que le choix des matériaux, et des jeux fonctionnels doit satisfaire à des rendements très élevés, en regard des facteurs puissance permis, dans le cadre des normes imposées. La figura 2, image, à titre d'éxemple, un distributeur hydraulique [11], éventuellement utilisable pour la commande hydraulique de soutènements marchants de mine, associé à l'étage actionneur C2J, décrit figure 1. Le distributeur hydraulique [11] décrit à titre d'éxemple présente les caractéristiques de construction et de service suivantes. Un corps [15], comportant les alésages, les chambres, les alvéoles et les canaux de distribution nécessaires, permet le déplacement d'un tiroir de distribution [16] équipé en son extrémité d'un clapet de non retour [17]. La corps [15] comports des chambres d'équilibrage, compensées an effort résultant, en fonction des sections des tiges sortantes, à l'air libre [18]et [19]. L'orifice [20], repéré P, est reccordé au réceau général, sous pression; l'orifice [21], repéré, a, est reccordé au circuit fonction, pilotage, d'un distributeur de puissence à pilotage hydraulique [13] d'un clapet de non retour à pilotage hydraulique [14] assurant les fonctions d'un vérin hydraulique [12], ou bien directement au vérin hydraulique [12], suivant les trois cas traités à titre d'éxemple par la figure 1; l'orifice [22], repéré R, est raccordé au retour général du réseau. Le chenal [23], entre la chambre [24] et la chambre [25] assure l'équilibrage hydraulique du tiroir [16], indépendamment de sa position et de sa fonction. Le chenal [26] permet suivant la position du tiroir, de canaliser le fluide sous pression orifice C20) vers l'orifice de distribution [21]. La chape [27], assure l'attelage du distributeur hydraulique [11] à l'actionneur [2]. La représentation imagée par la figure 2 concerne un dis tributeur en position, dite neutre, le fluide sous pression arrive par l'orifice [20], repéré P, dans la chambre [24], le clapet de non retour [17] bloqué mécaniquement et confirmé hydrauliquement sur son siège, garanti l'étanchéité et interdit la passage du fluide vars le chenal [26], de plus le tiroir de distribution [16] n'offre pas de possibilité de passage et bloque la gorge [29] confirmant, si nécessaire l'étanchéité du circuit pression d'alimentation, l'orifice [21], repéré a, raccordé au circuit fonction et connecté à l'orifice [22], repéré R, raccordé au circuit retour général, par le jeu de la gorge [28] pratiquée dans le tiroir [16]; en conclusion la pression d'alimentation est bloquée, le circuit fonction est connecté au circuit retour général, donc sans action. @ La figure 3 image le distributeur hydraulique C11) opéré par l'actionneur [2] qui a effectué un effort de traction sur le tiroir [16] par l'intermédiaire de la chape [27] qui lui est attelée. Cette représentation concerne un distributeur en position dite, fonction, l'ensemble du tiroir [16] équipé de son clapet de non retour [17], a été déplacé de n/millimètres, le clapet de non retour [17] n'est plus on appui sur son siège, la gorge [28] du tiroir [16] connecte l'orifice [21], repéré a, à la gorge [29], les circuits suivants sont ainsi établis; l'orifice [20], repéré P, est connecté au@chenal [26] lui mê- me connecté à l'orifice (21) repéré a, raccordé au circuit fonction, le fluide aliments et opere le récopteur [12], soit par l'intermédiaire de l'étage de relais [13] ou [14] ou directement, dans les condition; analysées par la figure t. En conclusion la pression d'alimentation active, directe- ment ou indirectement le récepteur, le vérin hydraulique [12], par éxemple; l'orifice [22], repéré R est isolé par le tiroir C163 sans gorge dans cette zone. La figure 4 image la représentation schématique d'un en- sembla de composants associés et de présentation monobloc, de technique bloc foré à montage en plaque de base. Cet ensemble groupe l'actionneur [2], le distributeur hydraulique [11] et le clapet de non retour piloté hydrauliquement (14), suivent le schéma de commande directe du vérin [12], analysé par la figure 1, dans les cas ou l'étanchéité absolue du circuit du verin [12] est éxigée, par exemple. La figure 4 reprend le repérage des orifices P,R et a et de la connexion électrique [3] dans des conditions identiques à celles des figuras 1,2 et 3. Cette représentation, de forme traditionnelle, doit être simplifiée, afin de ne pas encombrer un schéma hydraulique ou électrique de machine complète comportant de nombreux composants. La figure 5 image un schéma simplifié dont la représen- tation sera retenue par les schémas d'éléments ou d'ensemble de machines, notamment sur le schéma, figure 6, du présent exposé. Cette représentation ne comporte plus les repères des composants élémentaires, l'ensemble désigné sous le vocable, clapet de non retour piloté hydrauliquement par un actionneur électro-mécanique de sécurité, (30) est à considérer comme un composant, à part entière, au même titre qu'une pompe. hydraulique ou qu'une servo valve également constituée de multiple éléments. Seul la repérage des orifices P, R et a, et de la connexion électrique [3], sont maintanus par cette représentation schématique, cas repères étant indispensables pour la lecture des schém@s hydrauliques et électriques. La figure 6, présent@, à titre d'éxemple, le schéma électro- hydraulique partiel d'un soutènement marchant utilisé dans une taille de mine grisouteuse, en atmosphère explosible. Ce schéma fait appel à la commande électrique distante et autonome de systèmes hydrauliques en atmosphère explosible, objet de la présente invention, pour la commande, en déplace- ment, en puissance et en t@nue, des étançons de soutènement, à des clapets de non retour pilotés hydrauliquement par un actionneur électro-mécanique de sécurité [30], décrit à titre d'éxemple par les figures [4 et 5], et schémstisé, suivant la figure 5. Un soutènement marchant est constitué de plusieurs vérins hydrauliques de tenue du toit de la mine,désignés sous le vocable étançons; pour simplifier le schéma, un seul d'entre eux a été représenté. Le schéma, présenté à titre d'éxemple, par la figure 6, fait appel à des clapets de non retour, simples, afin de fa- ciliter l'analyse des fonctions, restant acquis que cette formule n'a que valeur de démonstration, la réalisation des composants pouvant faire appel, suivant les besoins, les impératifs de sécurité et de procédure, sans négliger les factours fiabilité et prix, aux techniques hydrauliques les mieux adaptsss. Le schéma figure 6, ne traite que les fonctions étançons, déterminant sur un soutènement marchant, les fonctions de dé- placement, de ripage, de cabrage etc... peuvent bien entendu être traitées suivant les même techniques en faisant appel à des compos@nts identiques, voisins ou adaptés. Le schéma, figure 6, appliqué à des soutènements de mine n'a que valeur d'éxample, la commande électrique distante et autonome de systèmes hydrauliques en atmosphère explosible, comme précisé à diverses occasions par l@ présent exposé, est destinés à être utilisée partout et sur toutes les machines et les engins ou la notion de sécurité est déterminante. Dans l@ même esprit, la notion d'autonomie du système concerne les cas les plus difficiles à traiter, souvent sans solution industrielle à ce jour, bien ent@ndu la source d'é n@rgi@ et la post@ de commande peuvent faire appel à des techniques d'autonomi@ partielles ou relatives, de secours, de dépannage ou de sécurité temporaire ou ponctuelles ou même être associées à des ens@mbles traditionn@ls. Le schém@ hydraulique à commande électrique, représenté à titre d'éxemple par la figure 6 est destiné au spécialiste hydraulicien, ce schém@ de représentation traditionnelle parmet l'analyse des fonctions des opérations et des mouvements d'un étançon. Pour mémoire, ce schéma comporte en plus des clapets de non retour pilotés par un actionneur électro-mécanique de sécurité [30] et d'un vérin [31] de type étançon double effet comportant les orifices repérés b, section fond et c, section annulaire, un filtre [32] du circuit pilote, une valve de sûreté [33] entre le vérin [12] et les clapets de non retour [30] du circuit et un manomètre [34]. La commande électrique distante est opérée depuis le poste [1] connecté au distributeur [30] du système par la connexion électrique [3]. D'autre part les canalisations raprésentées sur le schéma figure 6 ont été repérées, afin d'en faciliter la lecture, can@lisation pression, réseau général [35], canalisation de retour général [36] can@lisation de retour-drainage du cir- cuit pilote C373 et canalisation circuit pilote [38]. En conclusion de ces descriptifs, cités s@ulement à titre d'éxemple, il doit être précisé que le caractère autonome de cette commande distante n'a pas un c@ractère limitatif, et correspond au contraire à une difficulté technique, garanti ssant l'utilisation de la commande dans les cao les plus difficiles , n'exclu pas la possibilité d'avoir recours à un étage générateur [1] groupant la source de génération de courant électrique [5] et l@ poste de commande et de sécurité [6] ayant leur origins depuis l@ réseau général et aussi, de r@mplacer l@ poste de commande et de sécurité [6] par un poste collectif, éventuellement connecté et commandé par un sys @ème programmé. D'autre part il doit être confirmé que les techniques et leurs applications schématiques citées à titre d'éxemple n'ont pas un caractère limitatif, l'étage actionneur [2] pouvant sans réserve commander des valves hydrauliques de tech ni que à tiroir, à palettes, à clapets ou E buses, par éxemple séparément, ou associés. REVENDICATIONS I) Commande électrique distante de systèmes hydrauliques en atmosphère explosible caractérisée par - Un étage générateur (1) groupent un générateur de courant électrique t53 un poste de commande électrique C6) comportant les organes de sécurité et de détection de défauts. - Un étage actionneur [2] constitué d'un micro-moteur électrique [7] pouvant tourner dans les sens + ou -, suivant la sélection opérée au poste de commande [6], entrainant directement ou par l'intermédiaire d'un accouplement [9] un réducteur mécanique de synthèse [8], luimême accouplé à un dispositif mécanique C103 transformant la rotation du couple micro-moteur électrique [7]-réduc- teur de synthèse C83, en mouvement linéaire, destiné à opérer l'étage hydraulique de pilotage ou de puissance C43 du système. Ces deux étages sont reliés entre eux par des moyens de connexion électrique (3) équipés d'un système d'accou- plement. Les composants électriques et leurs connexions sont de catégorie sécurité en atmosphère explosible. 2) Dispositif selon la revendication I de technique autonome caractérisé, en ce que le générateur de courant électrique est un accumulateur de sécurité. 3) Oispositif, selon les revendications I et Z, caractérisé en ce qu'il est alimenté en courant électrique par un réseau général, séparément ou associé à d'autres dispositifs selon les revendications I et 2. 4) Dispositif, selon les revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que ses circuits électriques de commande, de contrôle, de détection, de défauts et de puissance, sont connectés à un poste collectif, commandé ou non par un système programmé. 5) Dispositif, selon la revendication 4 caractérisé en ce que la commanda est de technique proportionnelle ou asservie, suivant la loi et le mode de commande retenu. 6) Dispositif, selon revendication 1, caractérisé en ce que l'étage hydraulique de pilotage ou de puissance (4) comporte un organe de distribution [11] du type à tiroir ou à clapet.