Brevet FR2709154A1 — publié le 19950224

La présente invention concerne un dispositif de sécurité, et notamment un dispositif de retenue destiné à assurer le blocage d'une charge déplacée par un vérin hydraulique en cas de rupture de la tuyauterie d'alimentation en fluide hydraulique. On sait qu'afin de lever une charge au moyen d'un vérin hydraulique disposé sous celle-ci on alimente en fluide hydraulique sous pression le piston du vérin, et que pour bloquer cette charge en une position déterminée on assure la fermeture du circuit hydraulique à l'entrée de ce vérin. Lorsqu'on souhaite redescendre la charge on ouvre plus ou moins le circuit d'entrée du vérin en fonction de la vitesse de descente de la charge souhaitée. Les dispositifs de manipulation de charges de ce type sont d'une utilisation pouvant présenter un niveau de risque important, notamment en cas de rupture de la canalisation du circuit d'entrée du vérin hydraulique qui provoque une ouverture brutale de celui-ci se traduisant par une descente brutale de la charge. La législation qui fixe les contraintes de construction des engins de levage ou assimilés tels que les engins de chantier , les pelles hydrauliques, les tombereaux à vérin, les foreuses et les matériels agricoles tels que les chargeurs de tracteurs, attachent une très grande importance à la protection du personnel utilisateur dans le cas de rupture de canalisations, et impose que, dans de telles conditions, la charge se trouve immédiatement immobilisée. Afin de réaliser cette immobilisation de la charge, on a proposé d'utiliser des valves de sécurité, dit "clapets parachute", qui sont interposées entre la canalisation d'alimentation en fluide hydraulique et l'entrée du vérin. Un clapet parachute est habituellement constitué d'un corps cylindrique dans lequel est disposée un clapet qui est maintenu à une distance donnée d'un siège de clapet par un ressort qui exerce sur celui-ci une force d'ouverture donnée éventuellement réglable. L'admission du fluide hydraulique se fait par des canaux d'alimentation qui traversent le corps du clapet parachute pour arriver dans l'espace compris entre le siège de clapet et la soupape. En position normale de fonctionnement, le ressort assure ainsi l'ouverture du clapet et le fluide hydraulique traverse le clapet parachute pour assurer l'alimentation du vérin. Lorsque l'on souhaite faire descendre la charge, le fluide hydraulique traverse le clapet parachute en sens inverse et exerce sur le clapet de celui-ci une force de fermeture antagoniste à celle du ressort. Cette force antagoniste de fermeture suit les lois d'écoulement des fluides par les petits orifices et est proportionnelle au carré du débit du fluide traversant le clapet parachute. Ainsi, dans le cas d'une perte de charge brutale due par exemple à une rupture de canalisation, le débit de retour augmente rapidement et la perte de charge créée au niveau du clapet, entre le clapet et son siège, augmente dans des proportions importantes et dépasse la force du ressort d'ouverture, si bien que le clapet se trouve appliqué sur le siège de clapet, assurant ainsi l'arrêt de l'écoulement du fluide et, en conséquence, l'arrêt du piston du vérin. I1 est donc nécessaire de régler la distance entre le clapet et son siège pour que le clapet reste ouvert sous la force du ressort lorsque le fluide hydraulique reflue par le clapet parachute (descente du piston du vérin) mais suffisamment faible néanmoins pour, qu'en cas de rupture de tuyauterie, la perte de charge engendrée par l'augmentation de débit du fluide hydraulique puisse refermer le clapet. Un tel clapet de sécurité présente un certain nombre d'inconvénients. De première part, en cas de rupture de canalisation, l'arrêt de l'écoulement du fluide ne se fait pas de façon instantanée puisque, par construction, il est nécessaire que la perte de charge atteigne une valeur supérieure à la force du ressort d'ouverture du clapet, si bien que cela nécessite le passage d'un certain débit de fluide au travers de celui-ci avant la fermeture, ce qui correspond à une descente importante du piston du vérin. Par ailleurs si la rupture de canalisation se produit pendant une opération d'admission du fluide sous pression, qui correspond à une phase de montée du piston, il sera nécessaire que la charge redescende d'une certaine valeur pour que le débit du fluide s inverse et engendre une perte de charge suffisante pour assurer la fermeture du clapet. Une telle inversion de mouvement assure l'arrêt brutal d'une charge en mouvement accéléré, ce qui soumet les éléments mécaniques à des contraintes importantes. Par ailleurs on constate que, pour chaque volume de vérin, ainsi que pour chaque vitesse limite de descente acceptable pour une charge déterminée, il est nécessaire de procéder au réglage de la hauteur entre le clapet et son siège, de façon que celui-ci ne se bloque pas dans le cas d'une descente normale du vérin et se bloque le plus rapidement possible en cas d'une rupture brutale de la canalisation d'alimentation en fluide hydraulique sous pression. La présente invention a pour but de proposer un dispositif de sécurité utilisant un clapet ne nécessitant pas un tel préréglage et qui, de plus, réagit de façon quasi instantanée à une rupture de la canalisation d'alimentation en fluide hydraulique. La présente invention a ainsi pour objet un dispositif de sécurité pour un récepteur hydraulique et notamment pour un vérin hydraulique du type comportant une entrée alimentée en fluide hydraulique sous pression, ce dispositif comportant une valve de sécurité disposée à l'entrée dudit récepteur, caractérisé en ce que - la valve de sécurité comporte un corps dans lequel sont percés un premier orifice relié à l'entrée du récepteur et un second orifice connectable à une source de fluide hydraulique sous pression se terminant par un siège de clapet, dont le passage est contrôlé par un clapet mobile sollicité par des moyens d'obturation élastiques appliquant ledit clapet sur son siège lorsque le fluide hydraulique sous pression n'est pas admis par le premier orifice pour sortir par le second orifice, - une soupape est disposée sur le circuit de retour du fluide hydraulique, en aval de la valve de sécurité lorsque ledit fluide hydraulique se déplace dans le sens du premier orifice vers le second orifice, susceptible de maintenir une pression résiduelle, ou pression pilote, suffisante pour maintenir le clapet à l'état ouvert. On décrira ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, diverses formes d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel La figure 1 est une vue en coupe schématique d'un dispositif de manipulation de charges pourvu d'un dispositif de sécurité suivant l'invention. La figure 2 est une vue de détail en coupe axiale d'un clapet de sécurité appartenant au dispositif suivant l'invention. Les figures 2a et 2b sont des vues de détail partielles en coupe illustrant deux positions de fonctionnement respectives du clapet. La figure 3 est une vue en coupe axiale d'une variante d'exécution du clapet de sécurité. Les figures 3a,3b,3c sont des vues en coupe longitudinales d'une variante de mise en oeuvre de l'invention dans lesquelles le clapet se trouve en trois positions spécifiques déterminées. La figure 4 est une vue en coupe axiale d'un dispositif additif, aux figures 3a, 3b,3c, anti-coup de bélier. On a représenté sur la figure 1 une installation destinée à effectuer le levage d'une charge 1 au moyen d'un vérin hydraulique 3 constitué principalement d'un corps 5 à l'intérieur duquel est monté, mobile en translation, un piston 7 relié à la charge 1 par une tige de piston 9. La chambre d'admission 11 du corps de vérin 3 est en communication avec une canalisation d'arrivée d'un fluide hydraulique sous pression 13, par l'intermédiaire d'une valve de sécurité 15. La canalisation 13 est réunie à une canalisation 16, en communication avec une source d'alimentation en fluide sous pression 17, par l'intermédiaire d'un distributeur à trois positions 19 commandé par une manette 21. Le distributeur 19 est également relié à une soupape 22 en communication avec un bac récepteur de fluide hydraulique 23. En position de repos du distributeur 19, ainsi que représenté sur la figure 1, le fluide hydraulique arrivant de la source d'alimentation en fluide sous pression 17 par la canalisation 16 est arrêté au niveau du distributeur 19, de meme que le fluide provenant de la chambre d'admission 11 du vérin 3. Pour soulever la charge 1 on déplace la manette 21 de façon que le distributeur 19 mette en communication la canalisation 13 avec la canalisation 16 reliée à la source de fluide sous pression 17. Dans cette position on constate que la soupape 22 n'est relié à rien. Lorsque l'on souhaite abaisser la charge 1 on déplace la manette 21 de façon que le distributeur 19 mette en communication la canalisation 13 avec la soupape 22, la canalisation 16 d'alimentation en fluide sous pression n'étant alors reliée à rien. On se reportera maintenant à la figure 2 représentant en détail la valve de sécurité 15, de façon à expliquer le fonctionnement de l'ensemble du dispositif. La valve de sécurité 15 est constituée d'un corps cylindrique 27 percé de part en part d'un conduit central et longitudinal 29 fermé, à l'une de ses extrémités, par un bouchon vissé 31 percé d'un évent 33, et, à son autre extrémité, par un support de siège de clapet 35 vissé dans le corps 27, qui est percé d'un conduit central fileté 37 destiné au raccordement de la canalisation 13, et qui se termine, à son extrémité interne, par un siège de clapet annulaire 39. La valve de sécurité suivant l'invention comprend également un clapet 41, constitué d'une tige de clapet 43 montée coulissante dans le conduit 29 et d'une tete de clapet 45, tronconique sur sa partie externe, qui est appliquée contre le siège de clapet 39 par un ressort de compression 47 dont une extrémité prend appui sur la partie interne de la tête de clapet 45 et l'autre extrémité sur le fond d'un chambrage 49 prévu dans le corps 27. Ce dernier est percé d'un conduit radial de sortie du fluide 51 qui est fileté de façon à permettre son raccordement avec la chambre d'admission 11 du vérin 3. On décrira ci-après le fonctionnement du dispositif de sécurité suivant l'invention en relation avec les figures 1 et 2. Comme précisé précédemment, lorsque l'on souhaite soulever la charge 1, on met en communication la canalisation 13 avec la canalisation 16 reliée à la source d'alimentation en fluide sous pression 17, au moyen du distributeur 19. Le fluide sous pression arrive par le conduit axial 37 et vient en appui sur la partie externe de la tête de clapet 45 de façon à repousser le clapet 41 et le ressort 47 à l'encontre de la force d'obturation exercée par celui-ci. A cet effet, la raideur du ressort 47 est suffisamment faible pour que le clapet 41 puisse etre ouvert par l'action du fluide hydraulique sous pression. Le clapet 41 une fois repoussé, le fluide hydraulique peut s'échapper par le conduit de sortie 51, pour entrer dans la chambre d'admission 11 du corps de vérin 3 et repousser vers le haut le piston 7 de façon à élever la charge 1. Pour descendre cette charge 1 on positionne le distributeur 19 de façon à mettre en communication la canalisation 13 avec la soupape 22, la canalisation 16 d'alimentation en fluide sous pression n'étant alors reliée à rien. La soupape 22 est conçue de façon à maintenir dans le circuit, en fonctionnement normal, une légère pression résiduelle, ou "pression pilote", dans la canalisation 13, légèrement supérieure à la force exercée par le ressort 47 sur le clapet 41, si bien que celui-ci reste en position ouverte et que le fluide hydraulique peut s'écouler par la canalisation 13 au travers du distributeur 19 et de la soupape 22, dans le bac de récupération du fluide hydraulique 23. On remarquera que la pression pilote est indépendante du débit du fluide hydraulique dans un sens ou dans l'autre à l'intérieur de la valve de sécurité 15 et que, en conséquence, la force d'obturation crée par le ressort 47 est réglée une fois pour toute en usine, ce réglage n'ayant pas à être modifié par la suite en fonction des conditions d'utilisation diverses dans lequel le dispositif de sécurité est amené à fonctionner. Lorsque survient une rupture de la canalisation 13, la pression pilote disparaît instantanément, si bien que le ressort de compression 47 applique instantanément la tête de clapet 45 contre le siège de clapet 39, assurant ainsi une interruption immédiate de l'écoulement du fluide hydraulique, ce qui interrompt donc la descente du piston 7 dans le corps de vérin 5. Le dispositif suivant l'invention permet également, en fonctionnement normal, contrairement aux dispositifs de l'état antérieur de la technique, de réaliser un déplacement a de la tête de clapet 45 par rapport au siège de clapet 39 suffisamment important pour que le fluide puisse s'écouler sans subir de perte de charge notable au passage de la tête de clapet 45. Par ailleurs, puisqu'en cas de rupture de la canalisation 13, le clapet 41 est ramené en position d'obturation par le ressort 47 et non par un débit de fluide quelconque, la distance a n'a qu'une importance mineure sur le temps nécessaire pour réaliser cette obturation. Si la rupture de la canalisation 13 intervient pendant la montée de la charge 1, c'est-à-dire lorsque le fluide hydraulique sous pression arrive par le conduit 37 pour s'écouler par le conduit de sortie 51, l'obturation du conduit 37 sera réalisée immédiatement par le ressort 47, dès la rupture de la pression pilote, si bien que l'arrêt de la charge sera réalisé avant que celle-ci n'ait entamé un mouvement accéléré vers le bas, ce qui évite de soumettre les éléments mécaniques du vérin 3 à des contraintes importantes. Dans la variante de mise en oeuvre représentée sur les figures 2a et 2b, une cavité 50 du chambrage 49, proche du siège de clapet 39, est d'un diamètre d très voisin de celui de la tête de clapet 45 (faible jeu fonctionnel e) si bien que, lorsque la tête de clapet 45 s'engage dans cette cavité 50 de diamètre réduit, (figure 2b) la perte de charge augmente et de ce fait le fluide hydraulique sous pression agissant sur la face interne de la tête de clapet 45 joint son action à celle du ressort 47 pour appliquer la tête de clapet 45 contre le siège de clapet 39. Bien entendu, comme représenté sur la figure 3, la tete de clapet 45 pourra avoir le même diamètre que la tige de clapet 43, si bien que ces deux éléments forment un clapet cylindrique 41' creusé d'une cavité cylindrique 53 dans laquelle est logé le ressort de compression 47. Ce dernier prend appui, d'une part, sur le fond d'une cavité cylindrique 52, réalisée dans la partie interne du bouchon 31, et, d'autre part, sur le fond de la cavité 53, de façon à exercer sur le clapet 41' une force tendant à appliquer la tête de clapet 45 du clapet 41' contre le siège de clapet 39. Dans un tel mode de mise en oeuvre la fonction d'obturation est assurée uniquement par le ressort 47. Dans le mode de mise en oeuvre de l'invention représenté sur les figures 3a,3b et 3c le corps de clapet 27 est constitué d'un élément cylindrique percé d'un conduit axial 29 débouchant sur l'extérieur, à l'une des extrémités du corps 27, par un évent 33. L'autre extrémité du corps 27 est percée d'un conduit d'arrivée de fluide hydraulique 28 qui débouche dans la cavité 50, de diamètre d légèrement supérieur à celui de la tête de clapet 45, laquelle débouche elle-même dans le chambrage 49 en communication avec l'extérieur par le conduit de sortie 51. Un piston cylindrique 55 creusé d'une cavité axiale 62, est monté à coulissement dans le conduit 29. A l'une de ses extrémités le piston 55 comporte un joint d'étanchéité 56 et il se termine, à son autre extrémité, par un plateau cylindrique transversal 59 de faible épaisseur. Le clapet 41 est constitué de la tête de clapet 45, de diamètre inférieur à celui du plateau 59, et de la tige de clapet 43 qui se termine par une queue de clapet 57 et qui prend place à l'intérieur de la cavité axiale 62. Un ressort de compression 61, disposé entre la queue de clapet 57 et la paroi interne de la cavité 62, applique la face interne de la tête de clapet 45 contre le plateau 59. De façon intéressante, un perçage 63 est effectué dans le piston 55 pour mettre en équi-pression l'extérieur et l'intérieur du piston, de façon à permettre une circulation du fluide entre ces deux parties. Le ressort d'obturation 47, constitué d'un ressort de compression, est disposé entre la face interne du plateau 59 du piston 55 et la paroi du chambrage 49, de façon à exercer sur le plateau 59, et donc sur la tête de clapet 45, une force F tendant à appliquer celle-ci contre le siège de clapet 39'. La raideur du ressort 61 est très inférieure à celle du ressort de compression 47 et elle suffit, au repos, à maintenir la tête de clapet 45 appliquée contre le plateau 59. En cours de fonctionnement normal, c'est-à-dire dans le cas du relevage ou de l'abaissement de la charge 1, le dispositif constitué du piston 55 et du clapet 41 fonctionne comme exposé précédemment, c'est-à-dire que celui-ci reste en position d'ouverture. Lorsque survient une rupture de la canalisation d'alimentation en fluide hydraulique 13, la pression pilote disparaît, si bien que le ressort d'obturation 47 repousse immédiatement la tête de clapet 45 en arrière, vers son siège de clapet 39', jusqu'à ce que la face externe du plateau 59 vienne en appui contre l'épaulement 64, comme il est représenté sur la figure 3b. Dans ces conditions la contrepression engendrée par l'engagement, dans la cavité 50, de la tête de clapet 45 vers son siège 39' va appuyer d'une part sur la surface interne de la tête de clapet 45 et d'autre part sur la surface externe du plateau 59, en appliquant ainsi réellement la tête de clapet 45 contre son siège de clapet 39' et éloignant le piston 55 de la tête de clapet 45, ainsi qu'il est représenté sur la figure 3c. Dans le mode de mise en oeuvre de l'invention représenté sur la figure 4, l'alignement formé par la tête de clapet 45, le clapet 41 et la queue 57 est percé, sur toute sa longueur, par un canal axial 65 dans lequel est introduit une petite soupape 66 formée d'une bille d'obturation 67 et d'un ressort 68. Le tarage de cette soupape est suffisamment élevé, c'est-à-dire à la pression de calcul donnée par le circuit et la pompe, pression qui est sensiblement la même pour tous les matériels. Cette soupape 66 ne s'ouvrira pour laisser passer le fluide de la chambre 49 en direction de la tuyauterie détériorée 13 que dans un cas de figure éventuel, qui est celui engendré par un coupe de bélier dû à une forte charge, à la limite de la charge maximale base des calculs mécaniques, arrêtée brusquement pendant une descente rapide normale avec fermeture du circuit engendrée par le fonctionnement de la valve de sécurité 15 en cas de rupture de tuyauterie. Un premier avantage de ce mode de mise en oeuvre de l'invention est qu'il permet de réaliser un auto-centrage de la tête de clapet 45 sur son siège 39' sans qu'il soit besoin de réaliser l'ensemble mobile avec des tolérances précises de construction et de fonctionnement entre pièces, tout en permettant d'utiliser toute la surface interne de la la tête de clapet, ce qui permet d'appliquer celle-ci avec une force importante. Un second avantage de ce mode de mise en oeuvre est qu'il permet de manoeuvrer à vide le dispositif, lorsqu'il n'est pas sous pression, c'est-à-dire lorsqu'il est hors charge, puisque le fluide hydraulique peut s'échapper, à très faible vitesse, la tête du clapet 45 n'étant pas parfaitement appuyée sur son siège 39'. Le dispositif de sécurité suivant l'invention est en mesure d'être monté sur des vérins à une seule chambre sans prélever de puissance à l'installation hydraulique puisque la soupape 22 créant la pression pilote est disposée sur le circuit de retour entre le distributeur 19 et le réservoir 23. Par ailleurs, ce dispositif d'obturation est en mesure d'être monté sur des vérins à double chambre, du côté de la charge motrice, sans avoir à être piloté par la pression de la seconde chambre comme c'est le cas dans les dispositifs utilisant des clapets pilotés ou des valves d'équilibrage. Le dispositif suivant l'invention est enfin utilisable sur deux vérins qui sont montés mécaniquement en parallèles l'un avec l'autre puisque la pression pilote est la même pour les deux vérins et que les débits de retour en cas de rupture de tuyauterie sont suffisamment négligeables pour ne pas engendrer d'accélération en retour des vérins, ce qui évite les contraintes importantes et anormales dans les dispositifs mécaniques, telles que la torsion des liaisons qui se manifestent habituellement lorsqu'on utilise deux clapets parachute disposés dans des vérins en parallèles, puisqu'un réglage parfaitement équilibré des clapets parachute n'est pas techniquement réalisable. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de sécurité pour récepteur hydraulique et notamment pour vérin hydraulique, du type comportant une entrée alimentée en fluide hydraulique sous pression, ce dispositif comportant une valve de sécurité (15) disposée à l'entrée dudit récepteur (3), caractérisé en ce que - la valve de sécurité (15) comporte un corps (27) dans lequel sont percés un premier orifice (51) relié à l'entrée du récepteur (3) et un second orifice (28,37) connectable à une source (17) de fluide hydraulique sous pression se terminant par un siège de clapet (39,39'), dont le passage est contrôlé par un clapet mobile (41) sollicité par des moyens d'obturation élastiques (47) tendant à appliquer ledit clapet (41) sur son siège (39,39'), et - une soupape (22) est disposée sur le circuit de retour du fluide hydraulique, en aval de la valve de sécurité (15) lorsque ledit fluide hydraulique se déplace dans le sens du premier orifice (51) vers le second orifice (28,37), susceptible de maintenir une pression résiduelle, ou pression pilote, suffisante pour maintenir le clapet (41) à l'état ouvert. 2.- Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le clapet (41) est constitué d'une tige de clapet (43) montée coulissante dans le corps (27) et d'une tête de clapet (45) dont le diamètre est supérieur à celui de la tige de clapet (43), des moyens de compression élastique (47) tendant à appliquer la tête de clapet (45) contre le siège de clapet (39,39'). 3.- Dispositif suivant la revendication 2 caractérisé en ce qu'au cours de son mouvement longitudinal la tête de clapet (45) se déplace au moins en partie dans un chambrage (49) de diamètre nettement plus important que celui de la tête de clapet (45). 4.- Dispositif suivant la revendication 3 caractérisé en ce que le premier orifice (51) débouche dans ledit chambrage. 5.- Dispositif suivant la revendication 4 caractérisé en ce que le chambrage (49) comporte, du côté du siège de clapet (39'), une restriction de diamètre (50) de façon que, lorsque la tête de clapet (45) se déplace dans le sens de la fermeture, c'est-à-dire du chambrage (49) vers la partie de plus faible diamètre (50), on crée une perte de charge supplémentaire permettant d'accroître la force d'application de la tête de clapet (45) contre son siège (39). 6.- Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le clapet comprend une tige de clapet (43) de faible diamètre se terminant à une extrémité par une tête de clapet (45) et à l'autre extrémité par une queue de clapet (57), qui est montée mobile dans une cavité (62) d'un piston (55) luimême monté coulissant dans une chambre (49) du corps (27), ce piston se terminant, à son extrémité proche de la tête de clapet (45), par un plateau (59) de plus grand diamètre que celle-ci, des moyens élastiques (61) appliquant avec une faible force la face interne de la tête de clapet (45) contre la face externe dudit plateau (59), un ressort d'obturation (47) agissant sur ledit plateau (59) de façon à appliquer la tête de clapet (45) contre son siège de clapet (39') lorsqu'aucun flux direct ne traverse la valve ou lorsqu'un flux indirect traverse la valve lorsque ledit clapet (41) n'est plus soumis à une pression pilote. 7.- Dispositif suivant la revendication 6 caractérisé en ce que le piston (55) est percé d'au moins un orifice (63) mettant en intercommunication l'intérieur (62) du pistonn (55) et la chambre (49) afin d'augmenter l'effort d'appui de la tête de clapet (45) sur son siège (39). 8.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 6 et 7 caractérisé en ce que la tige de clapet (43) est percée, sur toute sa longueur, pour recevoir une soupape (66) destinée à empêcher un coup de bélier pouvant se produire dans la chambre (49) et dans la chambre (11) du corps du vérin à la descente de la charge maximale, lorsque la valve de sécurité (15) se ferme instantanément.