Brevet FR3006443A1 — publié le 20141205

PROCEDE DE MESURE DE L'EFFORT DYNAMIQUE SUR LES PISTONS D'UNE MACHINE HYDRAULIQUE, AVEC UN MARTEAU A CHOC pool La présente invention concerne un procédé de mesure de l'effort dynamique axial s'appliquant sur les pistons d'une machine hydraulique, ainsi qu'un système de mesure prévu pour mettre en oeuvre un tel procédé. [0002] Un type de machine hydraulique connu comporte des pistons disposés parallèlement à un arbre d'entrée et répartis autour de son axe, coulissant dans des cylindres d'un barillet entraîné en rotation par cet arbre, ces pistons prenant appui sur un plateau inclinable fixé au carter. [0003] De l'autre côté du plateau inclinable suivant la direction axiale, le barillet prend appui sur une platine collectrice comprenant un collecteur basse pression et un collecteur haute pression, de manière à faire déboucher alternativement les cylindres dans l'un et l'autre de ces collecteurs lors de la rotation de l'arbre. On obtient ainsi un fonctionnement en pompe ou en moteur, avec une cylindrée variable suivant l'inclinaison du plateau inclinable. [0004] Afin de résoudre des problèmes d'émissions sonores, notamment lorsque les cylindres débouchent dans l'un ou l'autre des collecteurs en créant des sauts de pression importants, il est nécessaire de connaître avec précision les pressions axiales dynamiques qui s'appliquent sur les pistons. [0005] Pour mesurer la pression du plateau inclinable sur les pistons, un procédé connu consiste à appliquer un choc axial avec un marteau sur le carter de la machine hydraulique au niveau du plateau inclinable, et de relever les niveaux d'accélération sur la platine, afin d'en déduire une fonction de transfert de l'effort transmis du plateau inclinable à la platine par les pistons. [0006] Ensuite lors du fonctionnement normal de cette machine hydraulique on enregistre les niveaux d'accélération de la platine, et par la fonction de transfert inverse de celle trouvée ci-dessus, on en déduit les accélérations et les efforts s'exerçant sur le plateau inclinable par les pistons. [0007] Toutefois un problème qui se pose avec ce procédé, est que le choc du marteau est donné sur l'extérieur du carter de la machine hydraulique, et non réellement sur le plateau inclinable, alors que pendant le fonctionnement le choc de pression vient de l'intérieur de cette machine sur le plateau inclinable, lorsque les cylindres débouchent dans l'un ou l'autre des collecteurs. [00os] On obtient alors des mesures qui ne sont pas toujours précises dans certains cas de fonctionnement. En particulier les forces dynamiques calculées sur les pistons ne sont pas toujours corrélées avec les calculs comprenant le produit de la pression s'exerçant sur chaque piston par sa surface frontale. Les mises au point de la machine hydraulique pour réduire les émissions sonores sont difficiles à réaliser. [0009] La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure. [0olo] Elle propose à cet effet un procédé de mesure de l'effort dynamique axial s'appliquant sur les pistons d'une machine hydraulique en appui sur un plateau inclinable, un collecteur de cette machine étant relié par une sortie à un circuit hydraulique disposant au moins d'un capteur de pression, le carter de la machine comprenant au moins un accéléromètre enregistrant ses vibrations, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - on fixe sur la sortie de la machine un carter de fermeture équipé d'un piston à choc coulissant comprenant un accéléromètre et les mêmes capteurs de pression, puis on remplit de fluide ce carter qui est purgé ; - on frappe sur le piston à choc avec un marteau à choc en enregistrant l'accélération de ce piston, l'effort effectif transmis par le marteau au piston avec un moyen de mesure de cet effort, la mesure du capteur de pression, et l'accélération du carter par l'accéléromètre ; - on calcule la pression du fluide générée par le choc à partir de l'effort effectif transmis par le marteau, de l'accélération du piston à choc, et de caractéristiques physiques de ce système ; - on en déduit la force axiale du fluide sur un piston de la machine en multipliant cette pression du fluide par la surface frontale d'un piston ; - on établit une première fonction de transfert qui donne la pression mesurée du fluide par les capteurs de pression suivant la force sur le piston, et une deuxième fonction de transfert qui donne l'accélération du carter suivant cette même force sur le piston ; - on met ensuite le circuit hydraulique sur la sortie de la machine, et on fait des mesures de pression et d'accélération du carter pour cette machine en fonctionnement ; - on en déduit avec la première fonction de transfert inverse, un premier niveau d'effort dynamique exercé par la pression sur les pistons en communication avec le collecteur, et avec la deuxième fonction de transfert inverse un niveau d'effort combiné comprenant l'addition de ce premier niveau d'effort dynamique, avec un deuxième niveau d'effort dynamique exercé par la pression sur les pistons venant du choc de pression lors de l'ouverture ou la fermeture des cylindres sur ce collecteur ; et - on calcule enfin le deuxième niveau d'effort dynamique en retirant du niveau d'effort combiné le premier niveau d'effort dynamique. [0011] Un avantage de ce procédé de mesure est que l'on peut de manière simple et précise avec le marteau comprenant le moyen de mesure de l'effort, effectuer une montée en pression dans le circuit avec une dynamique élevée dans les conditions de fonctionnement de la machine hydraulique, qui permet ensuite d'établir les fonctions de transfert permettant de calculer l'effort axial dynamique sur un piston de la machine en fonctionnement. [0012] Le procédé de mesure de capteurs de pression selon l'invention peut de plus comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. [0013] Avantageusement, le fluide est mis à la température des conditions de fonctionnement du circuit hydraulique avant les différentes mesures. [0014] Avantageusement, le fluide est soumis pour les mesures à une pression donnée. [0015] Avantageusement, le calcul de la pression du fluide générée par le choc utilise le principe fondamental de la dynamique, la somme des forces extérieures appliquées sur le piston étant égale à la masse multipliée par l'accélération de ce piston, ces forces comprenant la force générée par le marteau lors du choc mesurée par un capteur d'effort, les forces de frottement appliquées sur le piston, et la pression du fluide dans le circuit hydraulique s'appliquant sur la surface avant de ce piston, la masse globale du piston étant mesurée au préalable, l'accélération de ce piston pendant le choc étant donnée par l'accéléromètre fixé dessus. [0016] Avantageusement, les forces de frottement sur le piston sont mesurées par une autre manipulation, comportant le choc du marteau sur ce piston avec le circuit ne contenant pas de fluide. [0017] L'invention a aussi pour objet un système de mesure de l'effort dynamique axial s'appliquant sur les pistons d'une machine hydraulique en appui sur un plateau inclinable, un collecteur de cette machine étant relié par une sortie à un circuit hydraulique comprenant au moins un capteur de pression, ce système comportant un carter de fermeture prévu pour s'ajuster sur la sortie, disposant d'un piston coulissant équipé d'un accéléromètre. [0018] Avantageusement, le système d'étalonnage comporte un marteau à choc comprenant un moyen de mesure de l'effort sur le piston à choc lors d'un choc. [0019] Avantageusement, le carter de fermeture comporte un moyen de 5 découplage axial mécanique au niveau de sa liaison avec la machine hydraulique. [0020] L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après, donnée à titre d'exemple et de manière non limitative en référence aux 10 dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'une machine hydraulique à pistons ; - la figure 2 est un schéma présentant la position angulaire des pistons de cette machine ; 15 - la figure 3 est un schéma d'un système prévu pour mettre en oeuvre le procédé de mesure selon l'invention, sur ce type de machine hydraulique ; et - la figure 4 est un schéma présentant la machine hydraulique pendant la mesure des efforts exercés par les pistons sur le 20 plateau inclinable, lors de son fonctionnement. [0021] Les figures 1 et 2 présentent une machine hydraulique 1 pouvant tourner dans les deux sens de rotation, comprenant un corps globalement cylindrique 2 fermé du côté appelé par convention côté arrière, indiqué par la flèche « AR », par un couvercle 4. Le corps 2 et le couvercle 4 supportent 25 chacun un roulement à rouleaux coniques 8, qui guide un arbre d'entrée 6 disposé suivant l'axe de ce corps. [0022] Un barillet 12 lié en rotation à l'arbre d'entrée 6, comporte neuf cylindres 14 disposés parallèlement à l'axe, qui sont régulièrement répartis autour de cet axe. [0023] Chaque cylindre 14 contient un piston 16, dont l'extrémité avant prend appui par une butée axiale 18 sur un plateau inclinable 20 qui peut pivoter autour d'un axe perpendiculaire à l'arbre d'entrée 6, sous l'effet d'un vérin hydraulique de commande 22 et d'un ressort de rappel 26. [0024] Le côté arrière du barillet 12 prend appui sur une platine circulaire transversale 24 maintenue par le couvercle 4, pour fermer l'extrémité arrière des cylindres 14. [0025] La platine 24 comporte un collecteur basse pression 30 et un collecteur haute pression 32 formant chacun un arc de cercle couvrant un peu moins de la moitié des positions des cylindres 14. Les collecteurs 30, 32 sont séparés entre eux par deux espaces intermédiaires qui permettent à un cylindre de quitter entièrement un des collecteurs avant d'arriver sur l'autre, de manière à éviter une communication directe entre ces collecteurs. [0026] On obtient ainsi pour un fonctionnement en pompe par exemple, à chaque rotation du barillet 12 un cycle complet de mouvement de l'ensemble des pistons 16 qui vont coulisser vers l'avant quand ils se trouvent en face du collecteur basse pression 30, puis vers l'arrière quand ils se trouvent en face du collecteur haute pression 32 pour refouler le fluide sous pression dans ce collecteur. [0027] La figure 2 détaille la platine 24 comprenant un collecteur basse pression 30 et un collecteur haute pression 32 en communication chacun avec quatre cylindres 36, ces collecteurs comportant de chaque côté quand un cylindre s'ouvre ou se ferme sur lui, une forme en sifflet se terminant par une pointe afin d'obtenir une ouverture ou une fermeture progressive de la communication. [0028] Le barillet tourne suivant le sens de rotation indiqué par la flèche. Un neuvième cylindre 38 venant de quitter le collecteur basse pression 30, arrive juste sur la pointe 40 de la forme en sifflet du collecteur haute pression 32. On obtient lors de l'ouverture de ce cylindre 38 sur le collecteur haute pression 32, un choc de pression dû à la montée en pression brutale dans ce cylindre. On peut passer par exemple brutalement d'une pression de 10bars à une pression de 250bars. [0029] La figure 3 présente la machine hydraulique 1 comprenant une ouverture en communication avec le collecteur haute pression, qui est tournée axialement vers un côté appelé par convention côté arrière, indiqué par la flèche « AR ». [0030] La machine hydraulique 1 est équipée d'accéléromètres tri-axes 66 disposés sur sa surface extérieure en différents endroits, afin d'enregistrer les déformations de son boîtier venant d'une onde de pression hydraulique interne. Avantageusement on installe plusieurs accéléromètres 66 sur sa surface extérieure, de manière à s'assurer que l'on a des capteurs disposés sur un ventre de vibration de la paroi extérieure de cette machine 1. [0031] L'ouverture arrière de la machine hydraulique 1 dispose d'une bride de fixation de 52, recevant un carter de fermeture 50 comprenant une forme cylindrique allongée axialement. [0032] Le carter de fermeture 50 comporte à son extrémité arrière un alésage contenant un piston axial coulissant 54 recevant le choc, équipé d'un joint d'étanchéité et d'une tige axiale dépassant vers l'arrière. La tige du piston 54 comporte un accéléromètre 56 qui mesure les vibrations axiales de ce piston. [0033] Le carter de fermeture 50 comporte un capteur de pression 58, émettant un signal électrique en fonction de la pression mesurée à cet endroit, qui est enregistré par un système d'acquisition de données. Ce capteur de pression 58 est identique à celui disposé dans le circuit hydraulique relié à la machine hydraulique lors de son fonctionnement. [0034] En variante le circuit hydraulique, et donc le carter de fermeture 50, peuvent comporter plusieurs capteurs de pression 58, comprenant des orientations variées. [0035] Le carter 50 comporte de plus une vis de purge 60 permettant de le remplir entièrement, et de le purger de l'air résiduel. [0036] Le système de mesure comporte de plus un marteau 62 destiné à frapper axialement sur la tige du piston 54, comprenant sur sa face de frappe un capteur d'effort 64 qui mesure les efforts effectifs transmis par ce marteau au piston. [0037] Avantageusement le carter de fermeture 50 comporte un découplage axial mécanique au niveau de sa liaison avec la machine hydraulique 1, de manière à ne pas transmettre au boîtier de cette machine le choc venant du marteau 62, appliqué sur le piston à choc 54. De plus le carter de fermeture 50 comprenant le découplage mécanique, comporte une raideur d'un point de vue hydraulique qui fait que son volume reste constant, de manière à transmettre intégralement l'onde de choc du fluide venant du piston 54, à la machine hydraulique 1. [0038] Les premières étapes de mesure avec le dispositif présenté figure 3, sont les suivantes, le plateau inclinable de la machine hydraulique étant disposé suivant un angle défini qui n'est pas nul. [0039] Le carter 50 et la machine hydraulique 1 forme un circuit hydraulique fermé rempli du fluide qui servira au fonctionnement de cette machine, qui est purgé entièrement. Ce circuit peut en particulier être soumis pour les mesures à une certaine pression résiduelle, qui facilite la propagation de l'onde de pression. [0040] Avantageusement le fluide est mis à la température des conditions de fonctionnement du circuit hydraulique, pour faire un étalonnage des capteurs de pression 58 dans les conditions représentatives du fonctionnement ultérieur, la propagation de l'onde de pression dans le fluide dépendant de cette température. [0041] On frappe ensuite sur la tige du piston à choc 54 avec le marteau 62, afin de créer un choc de pression sur le fluide disposé en avant de ce piston, qui génère une onde de pression transmise au capteur 58, et aux pistons intérieurs de la machine en communication avec le collecteur haute pression. [0042] Le capteur d'effort 64 du marteau 62 enregistre l'effort de ce choc, en parallèle le capteur de pression 58 enregistre l'arrivée de l'onde de pression, et les accéléromètres 66 enregistrent les déformations du boîtier de la machine hydraulique. [0043] Ensuite on applique le principe fondamental de la dynamique sur le piston à choc 54, qui précise que la somme des efforts appliqués sur ce piston est égale à la masse multipliée par l'accélération de ce piston : E F = My. [0044] Les forces extérieures appliquées sur le piston 54 sont la force générée par le marteau 62 lors du choc, mesurée par le capteur d'effort 64, les forces de frottement appliquées par le carter 50 sur ce piston, en particulier les frottements des joints d'étanchéité, et la pression du fluide dans le circuit hydraulique s'appliquant sur la surface avant de ce piston, qui est la donnée recherchée. [0045] La masse globale du piston à choc 54 est mesurée au préalable. L'accélération de ce piston 54 pendant le choc est donnée par l'accéléromètre axial 56 fixé sur sa tige. [0046] Les frottements sur le piston à choc 54 peuvent être mesurés de manière précise par une manipulation préalable, comportant le choc du marteau 62 sur la tige de ce piston avec le circuit 2 ne contenant pas de fluide, ce qui élimine la pression hydraulique. En appliquant aussi le principe fondamental de la dynamique, la somme des forces comprenant le choc du marteau 62 et les forces de frottement, est égal à la masse du piston 54 multipliée par son accélération. On en déduit les forces de frottement réelles s'appliquant sur ce piston 54. [0047] On obtient ainsi la force appliquée sur la surface avant du piston à choc 54, qui est divisée par cette surface pour obtenir la pression réelle du fluide. On calcule ensuite en multipliant cette pression réelle du fluide par la surface frontale d'un piston de la machine 1, la force axiale qui s'applique sur les pistons internes en communication avec le collecteur haute pression. [0048] A partir de la mesure de pression effectuée par le capteur de pression 58, on en déduit une première fonction de transfert qui relie la force axiale sur un piston de la machine 1, à la mesure de ce capteur. La fonction de transfert est définie en particulier comme le rapport de la transformée de Fourier du signal de sortie dépendant de la fréquence, sur la transformée de Fourier du signal d'entrée dépendant aussi de cette fréquence. [0049] A partir des mesures d'accélérations effectuées par les accéléromètres 66 fixés sur la surface de la machine hydraulique 1, on en déduit une deuxième fonction de transfert qui relie la force axiale sur un piston de la machine, à ces mesures d'accélérations qui sont liées aux variations de pression du fluide. [0050] La figure 4 présente le circuit hydraulique fermé 70 utilisé pour le fonctionnement normal de la machine 1, comprenant le capteur de pression 58 qui est fixé sur ce circuit dans une position similaire. [0051] Les étapes ultérieures de mesure avec le dispositif présenté figure 4, sont les suivantes, la machine hydraulique 1 étant en fonctionnement avec son plateau inclinable dans la même position que précédemment, et les conditions de température et de pression résiduelle du fluide étant similaires. [0052] Pour chaque mesure de pression avec le capteur de pression 58, on utilise la première fonction de transfert inverse pour calculer le niveau d'effort dynamique exercé sur les pistons par la pression du circuit haute pression Fpp. [0053] De plus, pour chaque mesure d'excitation de la machine hydraulique 1 avec les accéléromètres 66, on utilise la deuxième fonction de transfert inverse pour calculer un niveau d'effort combiné comprenant l'addition du niveau d'effort dynamique exercé sur les pistons par la pression du circuit haute pression Fpp, avec le niveau d'effort dynamique exercé sur les pistons par le choc de pression venant de l'ouverture ou de la fermeture des cylindres sur le collecteur haute pression Fps. [0054] On réalise enfin la soustraction du niveau d'effort dynamique exercé par la pression Fpp, au niveau d'effort combiné, pour obtenir uniquement le niveau d'effort dynamique exercé par le choc de pression venant de l'ouverture ou de la fermeture des cylindres Fps. [0055] On peut alors en ayant isolé cette dernière valeur Fps effectuer des mises au point de la machine hydraulique 1, en étudiant par exemple différentes formes du sifflet d'ouverture ou de fermeture du collecteur haute pression. [0056] On réalise ainsi de manière simple, rapide et peu coûteuse, des mesures précises de l'effort dynamique sur les pistons, en particulier lors de l'ouverture ou de la fermeture d'un cylindre sur un collecteur. On peut notamment effectuer des séries de mesures pour différentes vitesses de rotation de la machine hydraulique 1 ou différents niveaux de haute pression, ainsi que pour des températures du fluide variées. [0057] La machine hydraulique 1 peut être un moteur ou une pompe. Le procédé de mesure peut servir à calculer la pression sur les pistons débouchant dans le collecteur haute ou basse pression. Pour le fluide, on peut prévoir tous types de liquides connus, utilisés habituellement pour les circuits hydrauliques. REVENDICATIONS1 - Procédé de mesure de l'effort dynamique axial s'appliquant sur les pistons (16) d'une machine hydraulique en appui sur un plateau inclinable (20), un collecteur de cette machine (30, 32) étant relié par une sortie à un circuit hydraulique (70) disposant au moins d'un capteur de pression (58), le carter de la machine comprenant au moins un accéléromètre (66) enregistrant ses vibrations, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - on fixe sur la sortie de la machine un carter de fermeture (50) équipé d'un piston à choc coulissant (54) comprenant un accéléromètre (56) et les mêmes capteurs de pression (58), puis on remplit de fluide ce carter qui est purgé ; - on frappe sur le piston à choc avec un marteau à choc (62) en enregistrant l'accélération de ce piston, l'effort effectif transmis par le marteau au piston avec un moyen de mesure de cet effort (64), la mesure du capteur de pression (58), et l'accélération du carter par l'accéléromètre (66) ; - on calcule la pression du fluide générée par le choc à partir de l'effort effectif transmis par le marteau, de l'accélération du piston à choc, et de caractéristiques physiques de ce système ; - on en déduit la force axiale du fluide sur un piston de la machine (16) en multipliant cette pression du fluide par la surface frontale d'un piston ; - on établit une première fonction de transfert qui donne la pression mesurée du fluide par les capteurs de pression (58) suivant la force sur le piston, et une deuxième fonction de transfert qui donne l'accélération du carter suivant cette même force sur le piston ; - on met ensuite le circuit hydraulique (70) sur la sortie de la machine (1), et on fait des mesures de pression et d'accélération du carter pour cette machine en fonctionnement ;- on en déduit avec la première fonction de transfert inverse, un premier niveau d'effort dynamique exercé par la pression sur les pistons en communication avec le collecteur Fpp, et avec la deuxième fonction de transfert inverse un niveau d'effort combiné comprenant l'addition de ce premier niveau d'effort dynamique Fpp, avec un deuxième niveau d'effort dynamique par la pression sur les pistons venant du choc de pression lors de l'ouverture ou la fermeture des cylindres sur ce collecteur Fps ; et - on calcule enfin le deuxième niveau d'effort dynamique Fps en retirant du niveau d'effort combiné le premier niveau d'effort dynamique Fpp. 2 - Procédé de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide est mis à la température des conditions de fonctionnement du circuit hydraulique avant les différentes mesures. 3 - Procédé de mesure selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le fluide est soumis pour les mesures à une pression donnée. 4 - Procédé de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le calcul de la pression du fluide générée par le choc utilise le principe fondamental de la dynamique, la somme des forces extérieures appliquées sur le piston (54) étant égale à la masse multipliée par l'accélération de ce piston, ces forces comprenant la force générée par le marteau (62) lors du choc mesurée par un capteur d'effort (64), les forces de frottement appliquées sur le piston, et la pression du fluide dans le circuit hydraulique s'appliquant sur la surface avant de ce piston, la masse globale du piston (54) étant mesurée au préalable, l'accélération de ce piston pendant le choc étant donnée par un accéléromètre (56) fixé dessus. 5 - Procédé de mesure selon la revendication 4, caractérisé en ce que les forces de frottement sur le piston à choc (54) sont mesurées par une autre manipulation, comportant le choc du marteau (62) sur ce piston avec le circuit ne contenant pas de fluide. 6 - Système de mesure de l'effort dynamique axial s'appliquant sur les pistons (16) d'une machine hydraulique en appui sur un plateau inclinable(20), un collecteur de cette machine (30, 32) étant relié par une sortie à un circuit hydraulique (70) comprenant au moins un capteur de pression (58), caractérisé en ce qu'il comporte un carter de fermeture (50) prévu pour s'ajuster sur la sortie, disposant d'un piston coulissant (54) équipé d'un accéléromètre (56). 7 - Système de mesure selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte un marteau à choc (62) comprenant un moyen de mesure (64) de l'effort sur le piston (54) lors d'un choc. 8 - Système de mesure selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce 10 que le carter de fermeture (50) comporte un moyen de découplage axial mécanique au niveau de sa liaison avec la machine hydraulique (1).