Brevet FR3149938A1 — publié le 20241220

TITRE : Installation hydraulique à réglage du débit sortant pour la commande d’un vérin Installation hydraulique (100), reliée à un vérin (V) à deux chambres (VA, VB) comprenant : une unité de commande (UC) reliée à une manette (Mn), une pompe (P), une ligne d’alimentation (LP), un réservoir (T) et une ligne de réservoir (LT). Deux unités électrohydrauliques (UA, UB) associées à une chambre (VA, VB) ayant chacune un étranglement (SeA, SeB) de section réglable. L’unité de commande (UC) reliée à la manette (Mn) génère les signaux électriques de commande (ΣEA, ΣEB) de la section de sortie (Ses) de l’unité (UA, UB) recevant le débit sortant (Qout) du vérin (V) en fonction des paramètres : - contrepression de consigne (Pcp) de la sortie du vérin (V), - pression de consigne du réservoir (PT), - débit entrant (Qin) dans le vérin (V), Figure 1 Installation hydraulique à réglage du débit sortant pour la commande d’un vérin DOMAINE DE L’INVENTION La présente invention se rapporte à une installation hydraulique du débit sortant pour la commande d’un vérin. ETAT DE LA TECHNIQUE Actuellement, les installations hydrauliques qui alimentent un vérin, c’est-à-dire la chambre du vérin côté fond et la chambre du vérin côté tige, sont réalisées par le même tiroir de sorte que la section de sortie du vérin dépend de la course du tiroir et de la section d’entrée. Comme le débit sortant du vérin ne dépend pas seulement que du débit entrant, cela signifie que la section de sortie peut être surdimensionnée ou sous-dimensionnée pour l’utilisation normale de l’installation. En d’autres termes, la commande du débit sortant se fait actuellement par une liaison mécanique entre le débit sortant et le débit entrant. Comme le débit de sortie dépend également de la charge appliquée au vérin ou du débit disponible fourni par la pente, la contre-pression créée n’est pas constante de sorte que la vitesse du mouvement en charge n’est pas constante pour le même signal d’entrée du conducteur et les différentes charges (déplacement de la manette de commande). Limiter la section augmente la stabilité du fonctionnement mais augmente en conséquence, la perte d’énergie. La section de sortie est principalement dimensionnée pour garantir le contrôle de la charge dans le cas le plus défavorable du mouvement. Cela se traduit par une limitation dans plusieurs applications et augmente ainsi les pertes d’énergie. BUT DE L’INVENTION La présente invention a pour but de développer une installation hydraulique associée à un vérin et permettant d’augmenter le rendement de fonctionnement en réduisant les pertes dans le retour du liquide hydraulique sans pour autant réduire les possibilités et l’efficacité de l’installation. EXPOSE ET AVANTAGES DE L’INVENTION A cet effet, l’invention a pour objet une installation hydraulique, cette installation hydraulique, reliée à un vérin à deux chambres séparées par un piston, dont la tige traversant l’une des chambres est reliée à un équipement recevant une charge, cette installation comprenant : une unité de commande reliée à une manette actionnée par l’opérateur pour manœuvrer l’équipement avec le vérin une pompe alimentant les chambres du vérin par une ligne d’alimentation et un réservoir recevant le liquide hydraulique de retour du vérin par une ligne de réservoir, cette installation étant caractérisée en ce qu’elle comprend en outre : deux unités électrohydrauliques associées à une chambre respective par une ligne de chambre et reliées à la ligne d’alimentation et à la ligne de réservoir et comprenant chacune : un étranglement de section réglable, commandée, reliant la ligne de chambre à la ligne de pompe et à la ligne de retour, l’unité de commande étant reliée à la manette pour générer les signaux électriques de commande de : la section d’entrée de l’unité alimentant le débit entrant du vérin, la section de sortie de l’unité recevant le débit sortant du vérin, en fonction des paramètres : contrepression de consigne de la sortie du vérin, pression de consigne du réservoir, débit entrant dans le vérin. L’installation hydraulique selon l’invention avec une unité hydraulique associée à chacune des chambres du vérin permet de rendre indépendante la commande de la section d’entrée et celle de la section de sortie. Cela permet de limiter la perte d’énergie par la restriction. La section d’entrée et la section de sortie, distinctes permettent une commande directe de la contrepression et de définir la rigidité du système. La contrepression est commandée par une logique de commande en boucle ouverte. L’idée générale repose sur une contrepression de consigne à partir de laquelle l’unité de commande calcule la section d’ouverture de sortie en fonction du débit sortant du vérin. Cette fonction se traduit par différentes possibilités : - influencer la fonction de rigidité de l’inertie par le réglage dynamique de rampe de section dynamique, - adapter l’objectif du circuit hydraulique en fonction de l’intention du conducteur par la contrepression gérée par la manette, - réaliser une fonction caractéristique de flottement, c’est-à-dire du maintien de la section de sortie complètement ouverte, - accroître la précision de calcul du débit sortant par des capteurs. En résumé, l’invention permet de définir la gestion de la section de sortie du vérin pour réduire efficacement les pertes. Le module de commande de contrepression garantit la rigidité du système sans limiter excessivement la sortie, en réduisant ainsi les pertes d’énergie sans conséquence négative sur la possibilité de commande. La rigidité du système dépend de la contrepression. Plus la contrepression est élevée et plus le système est rigide, c’est-à-dire répond rapidement à la contrepression. De façon particulièrement avantageuse, la section réglable de l’étranglement du débit sortant est donnée par la formule de Bernoulli simplifiée : Ses =kQout/√ΔP, Dans cette formule Ses est la section de sortie, Qout est le débit sortant et ΔP est la différence entre la pression de consigne et la pression de réservoir. Le coefficient C est un coefficient qui dépend du coefficient de section Cd de la conduite (longueur, rugosité intérieure, perte de charge,…) et de la masse volumique. Ce « coefficient de section Cd » est une notion courante en hydraulique. Suivant une autre caractéristique, la pression de consigne est choisie parmi une valeur fixe prédéfinie ou une valeur variable en fonction de la manœuvre de la manette. De façon particulièrement avantageuse, la fonction donnant la pression de consigne est une fonction fortement croissante à partir de la pression de la position de repos de la manette puis décroissante vers une valeur stabilisée en fonction de la manœuvre de la manette et, en sens inverse, une fonction fortement décroissante à partir de la pression de la position de repos, décroissante vers une valeur stabilisée, en fonction de la manœuvre de la manette à partir de la position de repos. Suivant une autre caractéristique avantageuse, les deux unités électrohydrauliques comprennent chacune un étranglement de section réglable réalisée chacun par : un tiroir principal hydraulique proportionnel reliant la conduite de chambre à la ligne de pompe et à la ligne de retour, un clapet pilote actionnant le tiroir principal et, un tiroir de commande électrohydraulique, proportionnel reliant la ligne de pompe au clapet pilote et recevant le signal de commande de l’unité de commande. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l’aide de modes de réalisation d’une installation hydraulique représentée dans les dessins annexés dans lesquels : schéma d’une installation hydraulique appliquée à la commande d’un vérin, schéma d’une unité hydraulique de l’installation selon l’invention, courbe de variation de la contrepression de consigne en fonction du mouvement de la manette, graphique schématisant la réponse au signal de commande émis par la manette. DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION DE L’INVENTION Selon la , l’invention a pour objet une installation électrohydraulique 100, associée à un vérin V relié à un équipement O manœuvrant une charge CH. Le vérin V a deux chambres VA, VB séparées par un piston VP solidaire d’une tige de vérin VP reliée à l’équipement O. Le piston VP subdivise le vérin en deux chambres VA, VB dont le volume varie en fonction du mouvement du piston selon le rapport des sections libres SA, SB des deux chambres ; la section de la chambre VA du fond du vérin est la section de son alésage ; la section SB de la chambre VB traversée par la tige VT est la section de l’alésage diminuée de la section de la tige VT. Selon la manœuvre commandée au vérin V, l’une des chambres VA, VB reçoit le débit entrant Qin et l’autre chambre VB, VA fournit le débit sortant Qout. Le rapport des débits, c’est-à-dire la variation de volume d’une chambre pour la course ΔL du piston est : QA=ΔL.SA QB= ΔL.SB donc QA/QB= SA/SB. Le débit algébrique (sortant ou entrant) d’une chambre en fonction du débit algébrique (entrant-sortant) de l’autre chambre est donc QB=QA.SB/SA et QA=QB SA/SB Par exemple, le mouvement du piston VP dans le sens du soulèvement de la charge CH par le liquide hydraulique fourni par la pompe P à la chambre VA ou VB ne doit pas être freiné par la réaction du liquide hydraulique dans l’autre chambre VB ou VA par l’étrangement excessif du débit de liquide hydraulique sortant du vérin. Réciproquement, le mouvement inverse de l’entraînement du piston par la charge CH créant une pression dans l’une des chambres doit être freiné pour différentes raisons et notamment pour éviter la cavitation par la mise en dépression de l’autre chambre. Cet équilibre hydraulique des deux chambres VA, VB selon le sens de l’action imposée au vérin V est réglé selon l’invention par la commande électrohydraulique des débits entrant/sortant des deux chambres VA, VB par l’installation électrohydraulique 100. L’installation électrohydraulique 100 se compose de deux unités électrohydrauliques UA, UB distinctes commandées indépendamment par une unité de commande UC ; ces unités sont associées aux chambres VA, VB du vérin et relient respectivement l’une et l’autre chambres à une conduite de pompe LP reliée à la pompe P et une conduite de retour LT vers le réservoir T. Chaque module UA, UB comporte une section d’étranglement réglable SeA, SeB commandée séparément par un signal électrique ΣeA, ΣeB généré par l’unité de commande UC recevant le signal Sm de la manette Mm manœuvrée par le conducteur ainsi que les paramètres suivants : - contrepression de consigne PCP dans la chambre de sortie, - pression de réservoir PT - débit entrant Qin. Comme déjà indiqué, les débits algébriques (débits entrants ou débits sortants) d’une chambre sont dans le rapport inverse des surfaces libres SA, SB des chambres du débit de l’autre chambre. QA=QB* SA/SB ou QB=QA*SBxSA Selon la manœuvre effectuée par le vérin V, l’une des chambres est la chambre d’entrée recevant le débit entrant Qin et l’autre chambre est la chambre de sortie fournissant le débit sortant Qout. Il y a alternance de ce fonctionnement suivant que le piston tire ou pousse l’équipement O. Les paramètres permettent à l’unité de commande UC de calculer la section de sortie Ses de l’étranglement ΣEA, ΣEB pour le débit sortant Qout qui fournit le signal d’étranglement ΣEA ou ΣEB pour le débit sortant Qout de l’unité UA ou UB pour l’action en cours dans le vérin V. L’unité centrale UC applique une équation de Bernoulli simplifiée pour obtenir la section de sortie de consigne Ses de l’étranglement pour le débit sortant Qout. Ses=k ΔP=PCP-PT Dans cette formule : K=Cd√ρ Cd= coefficient de section Ρ= masse volumique du fluide PCP= pression de consigne PT= pression de réservoir La section de consigne de sortie Ses de l’unité de débit sortant Qout est émise par l’unité centrale UC sous la forme d’un signal électrique de commande ΣEA, ΣEB. La section de sortie Ses (A ou B) est une valeur dépendant de paramètres fixes ou variables ; elle est réglée au début d’une manœuvre du vérin. Les paramètres Pcp et PT sont fixés en fonction de l’installation hydraulique et de son équipement. A titre d’exemple : La contrepression Pcp en sortie est de l’ordre de 20 à 250 bars La pression du réservoir PT est de l’ordre de 5 bars. De façon résumée, l’installation hydraulique 100, reliée à un vérin V à deux chambres VA, VB séparées par un piston VP, dont la tige VT traversant l’une VB des chambres VA, VB est reliée à un équipement O recevant une charge CH, installation comprenant : une unité de commande UC reliée à une manette Mn actionnée par l’opérateur pour manœuvrer l’équipement O avec le vérin V une pompe P alimentant les chambres VA, VB du vérin par une ligne d’alimentation LP et un réservoir T recevant le liquide hydraulique de retour du vérin par une ligne de réservoir LT, installation caractérisée en ce qu’elle comprend en outre : deux unités électrohydrauliques UA, UB associées à une chambre VA, VB respective par une ligne de chambre LEA, LEB et reliées à la ligne d’alimentation LP et à la ligne de réservoir LT)et comprenant chacune : un étranglement SeA, SeB de section réglable, commandée indépendamment, reliant la ligne de chambre LEA, LEB à la ligne de pompe LP et à la ligne de retour LT, - l’unité de commande UC étant reliée à la manette Mn pour générer les signaux électriques de commande ΣEA et ΣEB de la section d’entrée Ses de l’unité UA, UB recevant le débit Qin du vérin V et de la section de sortie Ses de l’unité UA, UB recevant le débit sortant Qout du vérin (V), en fonction des paramètres : contrepression de consigne Pcp de la sortie du vérin V, pression de consigne du réservoir PT, débit entrant Qin dans le vérin V. L’installation 100 est alimentée en liquide hydraulique sous pression réglée par une pompe commandée P prenant le liquide hydraulique dans un réservoir T alimenté par le retour de liquide hydraulique. La sortie de la pompe est reliée à une ligne LP à laquelle sont reliés les modules MA, MB dont les sorties sont reliées à la ligne de réservoir LT. Selon la , l’unité UX qui représente l’unité UA ou l’unité UB comporte un tiroir principal de distribution 1, proportionnel, commandé par une chambre pilote 11 déplaçant le tiroir 1 à partir de sa position de repos représenté à la ; l’unité UX a une ligne LeA, LeB reliée à une chambre VA ou VB du vérin et à la ligne de réservoir LT. Le tiroir 1 est représenté dans sa position de repos S11 reliée à la ligne de réservoir LT, car lorsque la commande de tiroir 1 est coupée, le ressort 12 rappelle le tiroir 1 dans sa position de repos (représentée par convention de dessin) dans laquelle la section S11 est reliée à la ligne LT du réservoir T. La chambre pilote 11 commandée par le liquide hydraulique fourni par le tiroir de commande 2 déplace le tiroir principal 1 pour mettre sa section d’alimentation S13 entre les conduites LP et (Lex, LeA, LeB) pour fournir le liquide hydraulique à la chambre VA ou VB. Les deux sections S11 et S13 sont séparées par la section intermédiaire S12 qui coupe la communication à travers le tiroir 1. La chambre pilote 11 combinée au tiroir principal 1 est commandée par le tiroir de commande 2. Celui-ci est un tiroir proportionnel, actionné par une commande électrique 21 recevant le signal de commande ΣS de l’unité de commande UC. Le tiroir de commande 2 est rappelé par le ressort 22 dans sa position de repos dans laquelle la ligne reliée à la chambre pilote 11, est reliée à la ligne de réservoir LT. Pour régler le débit entrant Qin, le tiroir de commande 2 reçoit le signal ΣS de l’unité de commande UC et relie son entrée déjà reliée à la ligne LP de la pompe à sa sortie vers la chambre pilote 11. Le tiroir de commande 2 applique ainsi un signal proportionnel de liquide hydraulique à la chambre pilote 11 qui actionne de manière proportionnelle le tiroir principal 1 en réglant sa section de son étranglement en fonction du signal ΣEA, ΣEB. La chambre active du vérin V, a la section de son tiroir principal ouverte et pour le débit commandé par la manette actionnée par le conducteur. L’unité UX décrite ci-dessus comme unité d’entrée dans sa fonction de réglage de la section d’entrée du vérin, fonctionne de façon analogue s’il s’agit de la fonction d’unité de sortie mais en calculant alors la section de sortie en appliquant l’équation de Bernoulli simplifiée comme indiqué ci-dessus. La contrepression de consigne Pcp peut être une contrepression fixe ou variable selon une courbe C prédéfinie ou la pression de consigne est choisie parmi : une valeur fixe prédéfinie, une valeur variable en fonction de la manœuvre de la manette, une valeur obtenue à partir d’une mesure d’un capteur de pression. La pression de réservoir est une pression choisie parmi : une valeur fixe prédéfinie, une valeur obtenue à partir d’une pression fournie par un capteur de pression. La montre une courbe C de la variation de la contrepression de consigne ou pression de réaction cible, imposée à l’installation hydraulique 100 en fonction de la manœuvre de la manette Mn à partir de sa position neutre Mno jusqu’à l’amplitude maximale de son excursion dans un sens ou dans l’autre à partir de sa position de repos Mno. La courbe C est composée dans sa partie droite partant de la contrepression P0 au repos de la manette de quatre segments C1, C2, C3, C4. La courbe commence par un segment de forte pente C1 se poursuivant par un segment de pente atténuée C2 vers le maximum de pression Pmax et ensuite une pente décroissante C3 jusqu’à une pression minimum Pmin se poursuivant par un segment C4 de niveau constant. Cette courbe est uniquement un exemple représentatif. Le mouvement de la manette Mn en sens inverse décroit par le segment C5 prolongeant le segment C1 puis rejoignant le segment C6 légèrement décroissant. La courbe C se traduit par une variation de la section d’étranglement de sortie Se puisque la contrepression intervient dans le calcul de la section Se par √Δp=√Pcp- PT au dénominateur, PT étant supposé constant de sorte que le dénominateur augmente jusqu’à la pression Pcpmax puis diminue et devient constant si bien que la section Se diminue jusqu’à la contrepression Pcmax puis augmente et ensuite reste constante. Du côté négatif de la courbe, la section augmente d’abord fortement puis se stabilise pratiquement. La est un graphique très schématique du signal de réponse au signal de commande de la manette en fonction du temps t, appliqué par l’unité de commande UC. Le niveau final PA du signal de commande demandé pour la section de consigne par l’actionnement de la manette à partir de l’instant est atteinte à l’instant R1 par une montée proportionnelle du niveau du signal (courbe Σ1) jusqu’à la valeur PA (courbe en trait plein). Selon l’invention, cette montée est atténuée en imposant une courbe de montée atténuée selon la forme Σ11 en traits interrompus modifiant la pente de la courbe en traits pleins entre un niveau minimum min S et un niveau maximum max S imposés par le matériel et les nécessités du système hydraulique. Le niveau final PA est atteint à l’instant t2. Après l’arrêt commandé par la manette à l’instant t3, le niveau du signal diminue selon la courbe en traits pleins atteignant la valeur nulle à l’instant t4. Dans le cas de l’amortissement selon la courbe Σ21, la descente se fait moins rapidement pour atteindre le niveau 0 à l’instant t5. En résumé, l’unité de commande UC génère le signal électrique de commande de la section ΣEA, ΣEB en forme de courbe trapézoïdale selon laquelle on atteint la valeur de niveau haut PA selon une montée inclinée Σ1 ou une montée atténuée Σ11, le retour à la valeur nulle par une descente inclinée proportionnelle Σ2 ou une descente atténuée Σ21, la montée et la descente atténuées allongeant respectivement le temps de montée et le temps de descente. NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 100 Installation hydraulique 1 Tiroir principal 11 Chambre pilote 12 Ressort 2 Tiroir de commande 21 Pilote électromécanique 22 Ressort de rappel VA, VB Chambres du vérin VP Piston VT Tige du piston O Equipement dans ses charges UC Unité de commande Mn Manette Sm Signal de la manette P Pompe LP Ligne de pompe / ligne d’alimentation T Réservoir LT Ligne de retour vers le réservoir UA Unité électrohydraulique UB Unité électrohydraulique UA,UB Unités électrohydrauliques LEA, LEB Lignes de chambre Ses Section de sortie de consigne ΣEA, ΣEB Signal électrique de commande Qin débit entrant Qout débit sortant Installation hydraulique (100), reliée à un vérin (V) à deux chambres (VA, VB) séparées par un piston (VP), dont la tige (VT) traversant l’une (VB) des chambres (VA, VB) est reliée à un équipement (O) recevant une charge (CH), installation comprenant : - une unité de commande (UC) reliée à une manette (Mn) actionnée par l’opérateur pour manœuvrer l’équipement (O) avec le vérin (V) - une pompe (P) alimentant les chambres (VA, VB) du vérin par une ligne d’alimentation (LP) et un réservoir (T) recevant le liquide hydraulique de retour du vérin (V) par une ligne de réservoir (LT), installation caractérisée en ce qu’elle comprend en outre : * deux unités électrohydrauliques (UA, UB) associées à une chambre (VA, VB) respective par une ligne de chambre (LEA, LEB) et reliées à la ligne d’alimentation (LP) et à la ligne de réservoir (LT) et comprenant chacune : - un étranglement (SeA, SeB) de section réglable, commandée indépendamment, reliant la ligne de chambre (LeA, LeB) à la ligne de pompe (LP) et à la ligne de retour (LT), - l’unité de commande (UC) étant reliée à la manette (Mn) pour générer les signaux électriques de commande (ΣEA) et (ΣEB) de : - la section d’entrée (SE) de l’unité (UA, UB) alimentant le débit entrant (Qin) du vérin (V), - la section de sortie (Ses) de l’unité (UA, UB) recevant le débit sortant (Qout) du vérin (V), en fonction des paramètres : - contrepression de consigne (Pcp) de la sortie du vérin (V), - pression de consigne du réservoir (PT), - débit entrant (Qin) dans le vérin (V). Installation hydraulique (100) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la section réglable (Ses) de l’étranglement (Se) du débit sortant (Qout) est donnée par la formule de Bernoulli, simplifiée : Ses=k formule dans laquelle, K=Cd√ρ Cd étant le coefficient de section et (ρ) la masse volumique du fluide. ΔP= Pcp- PT Installation hydraulique (100) selon les revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la pression de consigne (Pcp) est choisie parmi : - une valeur fixe prédéfinie, - une valeur variable en fonction (C) de la manœuvre de la manette (Mn), - une valeur obtenue à partir d’une mesure d’un capteur de pression. Installation hydraulique (100) selon la revendication 3, caractérisée en ce que la fonction donnant la pression de consigne (Pcp) est - une fonction fortement croissante (C1, C2) à partir de la pression (Po) de la position de repos de la manette (Mn) puis décroissante vers une valeur stabilisée en fonction de la manœuvre de la manette et, en sens inverse, - une fonction fortement décroissante à partir de la pression (Po) de la position de repos, décroissante vers une valeur stabilisée, en fonction de la manœuvre de la manette (Mn) à partir de la position de repos. Installation hydraulique (100) selon les revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la pression de réservoir est une pression choisie parmi : - une valeur fixe prédéfinie, - une valeur obtenue à partir d’une pression fournie par un capteur de pression. Installation hydraulique (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les deux unités électrohydrauliques (UA, UB) comprennent chacune un étranglement de section réglable (SeA, SeB) réalisée chacun par : - un tiroir principal hydraulique proportionnel (1) reliant la conduite de chambre (LEA, LEB) à la ligne de pompe (LP) et à la ligne de retour (LT), * un clapet pilote (11) actionnant le tiroir principal (1) et, * un tiroir de commande (2) électrohydraulique, proportionnel reliant la ligne de pompe (LP) au clapet pilote (11) et recevant le signal de commande de l’unité de commande (UC). Installation hydraulique (100) selon la revendication 1, caractérisée en ce que l’unité de commande (UC) génère le signal électrique de commande de la section (ΣEA, ΣEB) en forme de courbe trapézoïdale selon laquelle - on atteint la valeur de niveau haut (PA) selon une montée inclinée (Σ1) ou une montée atténuée (Σ11), - le retour à la valeur nulle par une descente inclinée proportionnelle (Σ2) ou une descente atténuée (Σ21), - la montée et la descente atténuées allongeant respectivement le temps de montée et le temps de descente.