Brevet FR3086703A1 — publié le 20200403

MOTEUR HYDRAULIQUE A EAU DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un moteur hydraulique à piston radiaux qui est conçu pour fonctionner avec de l'eau comme fluide hydraulique alimentant le moteur. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les moteurs hydrauliques conventionnels sont conçus pour fonctionner en association avec de l'huile sous pression. Même si ce fluide présente de nombreux avantages, comme notamment celui de fournir une lubrification entre les surfaces en mouvement, n'en reste pas moins un produit facilement inflammable et polluant en cas de fuite. C'est pourquoi on cherche à réduire son utilisation, dans le cadre de la prévention et la gestion des risques d'incendie inhérents aux chantiers de construction et à l'exploitation d'installations et d'ouvrages souterrains tels que les tunnels, mines, centres de stockage de déchets. L'utilisation de l'eau en tant que fluide hydraulique dans un moteur hydraulique est peu envisagée historiquement car elle présente de nombreux inconvénients tels que l'oxydation, l'érosion de surfaces par cavitation, une viscosité faible et la dégradation de l'eau elle-même. En revanche, dans un moteur hydraulique fonctionnant avec de l'huile, la viscosité de cette dernière permet le fonctionnement du moteur avec des jeux importants et des fuites contrôlées permettant par la même une lubrification des éléments en frottements. Cependant, le fonctionnement avec de l'eau n'est pas possible car de tels jeux produiraient des fuites d'eau importantes, d'autant plus que la pression est importante. 2 Parmi les moteurs hydrauliques, le moteur hydraulique à piston radiaux permet de générer une vitesse de rotation relativement faible, tout en permettant d'utiliser une pression de fluide élevée, par exemple une pression de l'ordre de 350 bars. L'invention a pour but de proposer un moteur hydraulique à piston radiaux dont la conception des composants permet de compenser les différences de performance entre l'eau et l'huile. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention propose un moteur hydraulique à pistons radiaux destiné à être entrainé par de l'eau sous pression, qui comporte : 10 - un arbre central possédant un axe principal A qui est pourvu d'une partie excentrique d'axe secondaire C parallèle et décalé par rapport à l'axe principal A de l'arbre, et - des cylindres radiaux qui sont répartis autour de l'arbre, dont chaque cylindre comporte un axe principal B orienté radialement par rapport à l'axe principal A 15 de l'arbre et dont chaque cylindre reçoit un piston monté mobile en coulissement selon l'axe principal B du cylindre, dans lequel chaque piston comporte une extrémité radiale externe qui délimite avec le cylindre une chambre pressurisée, dans laquelle un fluide sous pression est reçu et une extrémité radiale interne qui coopère avec la partie excentrique pour 20 entrainer l'arbre en rotation sous l'action du fluide sous pression, caractérisé en ce que le fluide sous pression est de l'eau, et en ce que chacun des composants parmi les cylindres, les pistons et l'arbre est réalisé en un acier inoxydable et un composant à faible résistance à la friction est interposé entre deux surfaces en mouvement relatif des cylindres, des pistons, de l'arbre. 25 L'utilisation de l'acier inoxydable combinée à un matériau à faible résistance à la friction permet à la fois de réduire les risques d'oxydation des composants du moteur et de permettre un glissement relatif des composants sans usure et sans grippage. 3 De préférence, un patin réalisé en un matériau plastique à faibles frottements avec l'acier inoxydable est porté par l'extrémité interne de chaque piston et est en contact glissant avec une surface de contact de la partie excentrique. De préférence, le patin est réalisé en Polyétheréthercétone (PEEK) De préférence, chaque piston est traversé par un conduit débouchant dans la chambre pressurisée et qui débouche dans un orifice du patin, ledit orifice étant débouchant sur une surface du patin qui est en contact avec une surface de contact glissant de la partie excentrique De préférence, chaque cylindre comporte une face cylindrique interne 10 cylindrique de révolution dans laquelle le piston associé au cylindre est monté coulissant, qui est de diamètre interne supérieur au diamètre dudit piston associé, ladite face cylindrique interne portant des moyens de guidage du piston en coulissement par rapport au cylindre De préférence, ladite face cylindrique interne porte des moyens 15 d'étanchéité à l'eau entre la face cylindrique interne et le piston. De préférence, le moteur comporte un bloc moteur dans lequel les cylindres sont montés, et par rapport auquel l'arbre est mobile en rotation autour de l'axe principal A, qui comporte des conduits de distribution du fluide vers les chambres pressurisées délimitées par les cylindres et les pistons, un distributeur qui est entraîné par 20 l'arbre en rotation autour de l'axe principal A de l'arbre, qui est relié à une source de fluide sous pression et à un conduit de refoulement et qui relie sélectivement chaque chambre pressurisée à la source de fluide sous pression ou au conduit de refoulement en fonction de la position angulaire de l'arbre par rapport au bloc moteur, et le bloc moteur est réalisé en acier inoxydable et le distributeur est réalisé en acier inoxydable, en bronze 25 et en céramique. De préférence, le bloc moteur et le distributeur sont en contact l'un avec l'autre par des parois en vis-à-vis qui sont équipées d'inserts réalisés d'un matériau à faible résistance à la friction De préférence, chaque insert est réalisé en une céramique. 4 De préférence, chaque cylindre est réalisé en acier inoxydable standard (AISI 304 ou 316) et chaque piston est réalisé en un acier inoxydable dopé à l'azote connu sous la dénomination Nitronic 60. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique en section axiale d'un moteur hydraulique selon l'invention. 10 - la figure 2 est un détail en éclaté de l'ensemble formé par un piston et le patin qui lui est associé ; la figure 3 est un détail d'un cylindre représenté à la figure 1 ; la figure 4 est un détail à plus grande échelle d'une partie du moteur hydraulique représentée à la figure 1 comprenant le distributeur. 15 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS On a représenté à la figure 1 un moteur hydraulique 10 du type à pistons radiaux, qui comporte un arbre 12 mobile en rotation autour d'un axe principal A du moteur et des pistons 14 qui sont répartis autour de l'axe principal A du moteur et dont chaque piston 14 possède un axe principal B qui est orienté radialement par rapport 20 à l'axe principal A du moteur 10. A titre d'exemple non limitatif, le moteur 10 comporte cinq pistons 14 répartis angulairement de manière régulière autour de l'axe principal A du moteur 10. L'arbre 12 comporte une partie excentrique 26, qui consiste par exemple en un disque possédant un axe principal C, que l'on appellera par la suite axe 25 secondaire C, qui est parallèle à l'axe principal A du moteur 10 et qui est décalé radialement par rapport à l'axe principal A. La partie excentrique 26 comporte une surface radialement externe 28 qui est située en vis-à-vis de chaque extrémité radialement interne 14A de chaque piston 5 14. L'extrémité radiale interne 14A de chaque piston 14 est constamment en appui radialement vers l'intérieur. Le moteur comporte un bloc moteur 16 constituant la structure du moteur et par rapport auquel l'arbre 12 est guidé en rotation autour de l'axe principal A. 5 Des roulements 18, ici des roulements à bille, réalisent le guidage en rotation de l'arbre 12 par rapport au bloc moteur 16. Le moteur 10 comporte aussi des cylindres radiaux 20 dont chaque cylindre 20 est associé à un piston 14 et est monté dans le bloc moteur 16 coaxialement à l'axe principal B du piston 14 associé. Chaque cylindre est en outre monté pivotant dans 10 le bloc moteur 16 par rapport à l'axe principal B du piston 14 associé D et est immobilisé en translation le long de ce même axe. Chaque cylindre 20 est associé à un piston 14 et il délimite un logement cylindrique 22 coaxial à l'axe principal B du piston 14, dans lequel le piston 14 associé est reçu et est mobile en coulissement le long de l'axe principal B du piston 14. 15 Chaque piston 14 comporte une extrémité radiale externe 14B qui délimite, en association avec une partie du cylindre 20 qui lui est associé, une chambre pressurisée 24 qui reçoit le fluide hydraulique sous pression qui est ici de l'eau. Sous l'action de la pression de l'eau sur son extrémité radiale externe 14B, chaque piston 14 exerce sur l'excentrique 26 un effort orienté selon son axe 20 principal B, en direction de l'axe principal A de l'arbre 12. Puisque l'axe secondaire C de l'excentrique 26 est décalé radialement par rapport à l'axe principal A de l'arbre 12, l'effort de chaque piston sur l'excentrique 26 provoque la rotation de l'arbre 12. Le moteur 10 comporte aussi un distributeur 30 qui est entraîné en 25 rotation par l'arbre 12 et qui réalise la distribution de l'eau sous pression en direction des chambres pressurisées 24 selon la position angulaire de l'arbre 12 autour de son axe principal A, par rapport au bloc moteur 16. La liaison du distributeur 30 à l'arbre 12 est réalisée par un axe d'entraînement 53 qui est coaxial à l'axe principal A de l'arbre 12 et est fixé à une extrémité axiale 12A de l'arbre 12, ici l'extrémité axiale de droite en se reportant à la figure 1. 6 Le bloc moteur 16 comporte des conduits 32 qui relient chaque chambre pressurisée 24 au distributeur 30. Le bloc moteur 16 comporte une face de distribution 34 dans laquelle chaque conduit 32 est débouchant et qui est située en face du distributeur 30. Comme on peut le voir à la figure 4, le distributeur 30 comporte un corps fixe 52 et un élément tournant 54 qui est solidaire de l'arbre d'entraînement 53, lui-même entraîné en rotation autour de l'axe principal A par l'arbre 12. Le corps fixe 52 comporte deux canaux internes 56 de liaison à un circuit d'alimentation en eau sous pression et à un circuit de refoulement. 10 L'élément tournant 54 comporte des conduits 58 qui communiquent en permanence avec l'un ou l'autre des deux canaux internes 56 et qui sont sélectivement mis en communication avec les conduits 32 du bloc moteur 16 pour sélectivement alimenter en eau sous pression ou mettre au retour chaque chambre pressurisée 24 en fonction de la position angulaire de l'arbre 12, et en particulier en fonction de la position 15 angulaire de l'excentrique 26 par rapport au bloc moteur 16 autour de l'axe principal A de l'arbre 12. Pour cela, l'élément tournant 54 comporte une face de distribution 60 qui est située en vis-à-vis et est en contact avec la face de distribution 34 du bloc moteur 16. Aussi, les conduits 58 de l'élément tournant 54 débouchent dans la face de 20 distribution 60 de l'élément tournant 54. Comme on l'a dit précédemment, le moteur 10 fonctionne avec de l'eau sous pression comme fluide de transmission d'énergie. Pour réduire les risques d'oxydation des composants du moteur 10, ceux-ci sont réalisés en matières inoxydables. 25 A titre d'exemple de matières inoxydables, on cite les aciers inoxydables AlS1304/AIS1316/AIS1420 et Z20C13, l'acier inoxydable connu sous la dénomination Nitronic 60, les bronzes, le plastique connu sous la dénomination de PEEK, et les céramiques Nitrure de silicium et Oxyde de zirconium. De préférence, chaque cylindre 20 est réalisé en acier inoxydable 30 standard (AISI 304 ou 316) et chaque piston est réalisé en acier inoxydable Nitronic 60, 7 qui est un acier inoxydable dopé à l'azote ayant des caractéristiques de frottements, sur les aciers inoxydables, améliorés. Le moteur 10 est constitué de composants qui coopèrent entre eux et qui sont mobiles les uns par rapport aux autres. Notamment, chaque piston 14 coopère et est mobile par rapport au cylindre 20 qui lui est associé ou par rapport à l'excentrique 26 et le distributeur 30 coopère et est mobile par rapport au bloc moteur 16. L'eau assure une lubrification limitée, ce qui fait que le contact et le mouvement relatif de composants en l'acier inoxydable risque de provoquer une usure rapide de ces composants. 10 Pour limiter ce risque d'usure des composants qui coopèrent et sont mobiles les uns avec les autres, le moteur 10 comporte un composant réalisé en un matériau à faible résistance à la friction qui est interposé entre deux de ces composants mobiles l'un par rapport à Vautre. Selon un premier aspect d'un composant réalisé en un matériau à faible 15 résistance à la friction, et comme on peut le voir plus en détails à la figure 2, un patin 36 réalisé en un tel matériau est porté par l'extrémité radiale interne 14A de chaque piston 14 et il comporte une face d'appui 38 qui est en contact avec la face externe 28 de l'excentrique 26 réalisé en Z20C13. La face d'appui 38 du patin 36 est à cet effet de forme complémentaire 20 à la forme de la face externe 28 de la partie excentrique 26. Ici, la face externe 28 de la partie excentrique 26 est sphérique, et sa section selon un plan passant par l'axe secondaire C de la partie excentrique 26 est en forme d'arc de cercle. A titre d'exemple non limitatif, le patin 36 est réalisé en 25 Polyétheréthercétone, communément désigné par le sigle PEEK. Le PEEK permet la transmission des efforts sans grippage, avec un minimum de frottements et donc un minimum d'échauffement mécanique. Selon un autre aspect du contact entre le patin 36 et la partie excentrique 26, un film d'eau est produit entre la face externe de la partie excentrique 26 8 et la face d'appui 38 du patin 36, afin de limiter les frottements entre ces deux faces par un phénomène d'aquaplanage. L'eau destinée à produire ce film d'eau provient de la chambre pressurisée 24, dans laquelle la pression d'eau est importante lorsque la chambre pressurisée est alimentée en eau sous pression, afin que le piston 14 agisse sur la partie excentrique 26 pour générer la rotation de l'arbre 12. A cet effet, et comme on peut le voir plus en détails à la figure 2, Le piston 14 comporte un canal 46 qui s'étend axialement, le long de l'axe principal B du piston 14, de part et d'autre du piston 14. Ainsi, le canal 46 débouche dans la chambre 10 pressurisée 24 au niveau de l'extrémité radiale externe 14B du piston 14 et débouche vers le patin 36 au niveau de l'extrémité radiale interne 14A du piston 14. Le patin 36 est lui aussi traversé axialement selon l'axe principal B du piston 14 par un orifice 48 qui communique avec le canal 46 traversant le piston 14 et qui est ouvert sur la face d'appui 38 du patin 36. 15 Une vis 47, qui est percée par un trou calibré, qui est aussi appelée gicleur, est montée sur l'extrémité radiale interne du canal 46, c'est-à-dire au niveau de l'extrémité radiale interne 14A du piston 14. La section de ce trou calibré est définie pour permettre la formation du film d'eau entre la face d'appui 38 du patin 36 et la face externe 28 de la partie excentrique, malgré la pression du patin 36 contre la partie 20 excentrique 26, résultant de la pression d'eau dans la chambre pressurisée, et pour que les pertes de pression et d'eau soient réduites pour ne pas nuire à l'efficacité du moteur 10. Un autre aspect d'un composant réalisé en un matériau à faible résistance à la friction, est mis en oeuvre entre chaque piston 14 et le cylindre 20 qui lui 25 est associé. Ce composant consiste ici en un segment de guidage 62 qui est reçu entre la face cylindrique interne 42 du cylindre 20 et la face cylindrique externe 44 du piston 14, qui est en vis-à-vis de la face cylindrique interne 42 du cylindre 20. Selon un mode de réalisation préféré, ces deux faces cylindriques en vis- 30 à-vis 42, 44 sont distantes l'une de l'autre, c'est-à-dire qu'un jeu radial, selon l'axe 9 principal B du piston 14, est présent entre les deux faces cylindriques 42, 44. Cela supprime tout contact direct entre le piston 14 et le cylindre 20, qui sont réalisés en matériau inoxydable et pour lesquels le contact et le frottement endommagerait les surfaces. Le segment de guidage 62 réalise un guidage du piston 14 dans le logement cylindrique 22 par rapport au cylindre 20, avec des frottements réduits. En outre, ici, deux segments de guidage 62 sont disposés entre les deux faces cylindriques 42, 44 et ils sont décalés axialement le long de l'axe principal B du piston 14, pour former un meilleur guidage en coulissement du piston 14 dans le cylindre 10 20. Chaque segment de guidage 62 est disposé dans une gorge annulaire 64 formée dans la face cylindrique interne 42 du cylindre 20, pour le maintien axial de la bague torique 62 en position par rapport au cylindre 20. En complément des segments de guidage 62, un joint d'étanchéité 66 15 est disposé entre la face cylindrique interne 42 du cylindre 20 et la face cylindrique externe 44 du piston 14. Ce joint d'étanchéité 66 permet d'empêcher toute fuite d'eau hors de la chambre pressurisée 24. Le joint d'étanchéité 66 est ainsi conçu pour résister à la pression de l'eau qui est importante. Il est lui aussi disposé dans une gorge annulaire 68 formée dans 20 la face cylindrique interne 42 du cylindre 20, pour le maintien axial du joint d'étanchéité 66 en position par rapport au cylindre 20 lors du déplacement axial du piston 14 par rapport au cylindre 20. Un autre aspect d'un composant réalisé en un matériau à faible résistance à la friction, est mis en oeuvre entre le distributeur 30 et le bloc moteur 16. 25 Comme on l'a dit plus haut, en référence à la figure 4, l'élément tournant 54 comporte une face de distribution 60 qui coopère avec la face de distribution 34 du bloc moteur 16. Chacune des deux faces de distribution 34, 60 du bloc moteur 16 et de l'élément tournant 54 est recouverte par un insert 70 réalisé en matériau céramique. 30 Les deux inserts 70 sont en contact glissant l'un contre l'autre. 10 Le matériau céramique permet d'assurer un glissement, tout en limitant l'usure des deux inserts 70, et par conséquent limitant les fuites d'eau. Chaque insert 70 en matériau céramique comporte des orifices 72 dont chacun de ces orifices 72 est associé aux conduits 32, 58 du bloc moteur 16 ou de l'élément tournant 54. Comme on peut le voir à la figure 3, chaque cylindre 20 est principalement en forme de "T". La branche inférieure verticale du "T" délimite le logement cylindrique 22 recevant le piston 14 associé. La branche supérieure horizontale 74 du "T" REVENDICATIONS1. Moteur hydraulique (10) à pistons (14) radiaux destiné à être entrainé par de l'eau sous pression, qui comporte : - un arbre (12) central possédant un axe principal A qui est pourvu d'une partie excentrique (26) d'axe secondaire C parallèle et décalé par rapport à l'axe principal A de l'arbre (12), et - des cylindres (20) radiaux qui sont répartis autour de l'arbre (12), dont chaque cylindre (20) comporte un axe principal B orienté radialement par rapport à l'axe principal A de l'arbre (12) et dont chaque cylindre (20) reçoit un piston (14) monté mobile 10 en coulissement selon l'axe principal B du cylindre, dans lequel chaque piston (14) comporte une extrémité radiale externe (14B) qui délimite avec le cylindre (20) une chambre pressurisée (24), dans laquelle un fluide sous pression est reçu, et une extrémité radiale interne (14A) qui coopère avec la partie excentrique (26) pour entrainer l'arbre (12) en rotation sous l'action du fluide sous 15 pression, caractérisé en ce que le fluide sous pression est de l'eau, et en ce que chacun des composants parmi les cylindres (20), les pistons (14) et l'arbre (12) est réalisé en un acier inoxydable et un composant à faible résistance à la friction est interposé entre deux surfaces en mouvement relatif des cylindres (20), des pistons (14), de l'arbre (12). 2. Moteur hydraulique (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un patin (36), qui est réalisé en un matériau plastique à faibles frottements avec l'acier inoxydable, est porté par l'extrémité interne de chaque piston (14) et est en contact glissant avec une surface de contact de la partie excentrique (26). 3. Moteur hydraulique (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le patin (36) est réalisé en Polyétheréthercétone (PEEK) 20 25 12 4. Moteur hydraulique (10) selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que chaque piston (14) est traversé par un conduit (46) débouchant dans la chambre pressurisée (24) et qui débouche dans un orifice (48) du patin (36), ledit orifice étant débouchant sur une surface (38) du patin (36) qui est en contact avec une surface de contact glissant (28) de la partie excentrique (26). 5. Moteur hydraulique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque cylindre (20) comporte une face cylindrique interne (42) cylindrique de révolution dans laquelle le piston (14) associé au cylindre (20) 10 est monté coulissant, qui est de diamètre interne supérieur au diamètre dudit piston (14) associé, ladite face cylindrique interne (42) portant des moyens de guidage du piston (14) en coulissement par rapport au cylindre (20). 6. Moteur hydraulique (10) selon la revendication précédente, 15 caractérisé en ce que ladite face cylindrique interne (42) porte des moyens (62, 66) d'étanchéité à l'eau entre la face cylindrique interne et le piston (14). 7. Moteur hydraulique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, qui comporte un bloc moteur (16) dans lequel les cylindres (20) sont 20 montés, et par rapport auquel l'arbre (12) est mobile en rotation autour de l'axe principal A, qui comporte des conduits (32) de distribution du fluide vers les chambres pressurisées (24) délimitées par les cylindres (20) et les pistons (14), et un distributeur (30) qui est entraîné par l'arbre (12) en rotation autour de l'axe principal A de l'arbre (12), qui est relié à une source de fluide sous pression et à 25 un conduit de refoulement et qui relie sélectivement chaque chambre pressurisée (24) à la source de fluide sous pression ou au conduit de refoulement en fonction de la position angulaire de l'arbre (12) par rapport au bloc moteur (16), caractérisé en ce que le bloc moteur (16) est réalisé en acier inoxydable et le distributeur (30) est réalisé en acier inoxydable, en bronze et en céramique. 30 13 8. Moteur hydraulique (10) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le bloc moteur (16) et le distributeur (30) sont en contact l'un avec l'autre par des parois (34, 60) en vis-à-vis qui sont équipées d'inserts (70) réalisés en un matériau à faible résistance à la friction. 9. Moteur hydraulique (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque insert (70) est réalisé en une céramique. 10. Moteur hydraulique (10) selon l'une quelconque des revendications 10 précédentes, caractérisé en ce que chaque cylindre (20) est réalisé en acier inoxydable standard (AISI 304 ou 316) et chaque piston (14) est réalisé en un acier inoxydable dopé à l'azote connu sous la dénomination Nitronic 60. 15