Actionneurs pneumatiques à crémaillère
Figure 1 : Actionneur rotatif à crémaillère
Les actionneurs pneumatiques à crémaillère, également appelés vérins à rotation limitée, sont des actionneurs rotatifs utilisés pour tourner, ouvrir, fermer, mélanger, osciller, positionner, diriger et bien d'autres fonctions mécaniques impliquant une rotation limitée. Ces actionneurs sont également souvent utilisés pour l'automatisation des vannes quart de tour, comme les vannes à bille ou les vannes papillon.
Les actionneurs pneumatiques à crémaillère convertissent l'énergie de l'air comprimé au moyen d'un cylindre pneumatique en un mouvement rotatif oscillant. Le gaz propre, sec et traité nécessaire à cet actionneur est fourni par une station centrale d'air comprimé, qui prend généralement en charge une série de dispositifs pneumatiques dans un système de traitement.
Par rapport à leurs homologues électriques, les actionneurs pneumatiques sont généralement plus durables, mieux adaptés aux environnements dangereux et moins coûteux. En outre, ils nécessitent souvent moins d'entretien et fournissent un couple plus élevé par rapport à leur taille.
Table des matières
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Conception
Dans un actionneur pneumatique à crémaillère, la force linéaire d'un piston entraîné par de l'air comprimé est convertie en couple de rotation par l'intermédiaire d'un mécanisme d'engrenage à crémaillère. Une crémaillère, comme le montre la figure 2, se compose d'un engrenage circulaire, le pignon, engagé dans un engrenage linéaire, la crémaillère.
Figure 2 : Engrenages à crémaillère
La crémaillère est usinée dans le piston et la crémaillère est engagée avec précision dans le pignon. Lorsque la chambre est remplie d'air comprimé, le piston et la crémaillère se déploient ou se rétractent, ce qui fait tourner le pignon par l'intermédiaire de l'engrenage.
Conception à rack unique ou à double rack
Les actionneurs à crémaillère offrent les plages de couple et de rotation les plus étendues par rapport aux autres mécanismes de conversion d'une force linéaire en un couple rotatif. Ils ont un rendement mécanique élevé et les couples qu'ils sont capables de produire vont de quelques Nm à plusieurs milliers de Nm.
Cependant, l'un des inconvénients potentiels de la conception à crémaillère est le jeu. Le jeu se produit lorsque les engrenages de la crémaillère et du pignon ne sont pas complètement alignés et qu'il y a un petit espace entre chaque connexion d'engrenage. Ce désalignement peut entraîner l'usure des engrenages au cours du cycle de vie de l'actionneur, ce qui augmente le jeu.
Une unité à double crémaillère utilise une paire de crémaillères situées de part et d'autre du pignon. Cela permet d'éliminer le jeu dû à une force antagoniste, de doubler le couple de sortie de l'unité et d'augmenter l'efficacité mécanique du système. Dans l'actionneur à double effet illustré à la figure 3, les deux chambres latérales sont remplies d'air sous pression, ce qui pousse les pistons vers le centre et, pour ramener les pistons à leur position initiale, la chambre centrale est à son tour pressurisée.
Figure 3 : Actionneurs rotatifs à double effet et à double crémaillère
Fonction
Les actionneurs pneumatiques à crémaillère peuvent être à simple ou double effet. Il est également possible pour ces actionneurs de fournir des arrêts multiples.
Simple ou double effet
Dans un actionneur à simple effet, l'air n'est fourni qu'à un seul côté du piston et est responsable du mouvement du piston dans une seule direction. Le mouvement du piston dans la direction opposée est assuré par un ressort mécanique. Les actionneurs à simple effet économisent l'air comprimé, mais n'effectuent le travail que dans une seule direction. L'inconvénient des vérins à simple effet est que la force de sortie n'est pas constante sur toute la course en raison de la force opposée du ressort. La figure 4 montre un actionneur pneumatique rotatif à simple effet et à double crémaillère.
Figure 4 : Actionneur rotatif pneumatique à simple effet et à double crémaillère
Dans un actionneur à double effet, l'air est fourni à des chambres situées de part et d'autre du (des) piston(s). Une pression d'air plus élevée d'un côté peut entraîner le(s) piston(s) de l'autre côté. Les actionneurs à double effet sont utilisés lorsque le travail doit être effectué dans les deux sens. La figure 5 montre un actionneur pneumatique rotatif à double effet et à double crémaillère.
L'un des avantages des vérins à double effet est leur force de sortie constante sur toute la plage de rotation. Les inconvénients des vérins à double effet sont qu'ils ont besoin d'air comprimé pour se déplacer dans les deux sens et qu'ils n'ont pas de position définie en cas de panne d'électricité ou de pression.
Figure 5 : Actionneur pneumatique rotatif à double effet et à double crémaillère
Positionnement multiple
Certains actionneurs à crémaillère sont capables de s'arrêter à plusieurs positions sur la plage de rotation en contrôlant la pression au niveau des orifices. Les positions d'arrêt peuvent se succéder dans n'importe quel ordre, ce qui permet à l'actionneur de passer sélectivement une position d'arrêt intermédiaire.
Boulons de butée
Les boulons de butée de course se trouvent sur le côté du corps de l'actionneur (comme le montre la figure 6) et permettent de régler les positions finales des pistons en limitant la rotation de l'engrenage du pignon depuis l'intérieur. Lors de l'installation de l'actionneur, enfoncer les deux boulons de butée jusqu'à ce qu'ils entrent en contact avec le capuchon de butée. Continuer à visser le boulon de fin de course gauche jusqu'à ce que la fente du pignon visible sur le dessus tourne en position parallèle à la longueur du corps de l'actionneur.
Figure 6 : Composants de l'actionneur pneumatique à crémaillère : cartouche de ressorts (A), came de fin de course (B), indicateur de position (C), capuchon d'extrémité (D), corps (E), orifice intégral (F), joint de piston (G), palier d'arbre de sortie (H), arbre de sortie (I), piston (J), vis de réglage de fin de course (K), orifice pneumatique (L), guide de piston (M) et bague de piston (N).
Normes
Pour être compatibles et interchangeables avec les produits de différents fabricants, la plupart des actionneurs pneumatiques à crémaillère ont été normalisés. Ces normes spécifient les dimensions de divers composants tels que l'interface entre l'actionneur et la vanne, les orifices d'air, l'interface de l'indicateur de position et les formes de l'arbre d'entraînement. Ils sont présentés dans la figure 6.
Figure 7 : Boîtier et surfaces de montage : interface pour accessoires selon VDI/VDE 3845 (A & E), indicateur de position selon la norme NAMUR (B), boulons d'arrêt de course (C), montage ISO 5211 (D).
ISO 5211 : 2017
La norme ISO 5211:2017 spécifie les exigences relatives à la fixation des actionneurs à fraction de tour sur les vannes industrielles, comme le montre la figure 7. Il spécifie les dimensions de la bride et des composants d'entraînement ainsi que les valeurs de couple pour les interfaces et les accouplements spécifiés.
NAMUR VDI/VDE 3845 : 2010-09
Cette norme contient les spécifications de l'interface entre l'actionneur et une vanne de processus fournissant de l'air comprimé ; elle est illustrée à la figure 7. Il peut également être utilisé comme interface accessoire au-dessus de l'actionneur, par exemple, un interrupteur ou un capteur de retour de position. Les vannes NAMUR offrent une interface d'assemblage conforme à la norme VDI/VDE 3845, qui comprend deux orifices d'air sur le côté plat de la vanne ainsi que des trous supplémentaires pour la fixation de la vanne sur le corps de l'actionneur.
Critères de sélection
Plusieurs facteurs doivent être pris en compte lors de la sélection d'un actionneur pneumatique à crémaillère pour votre application.
Pour un jeu nul à chaque extrémité de la rotation et une plus grande précision d'arrêt, un actionneur à double crémaillère est recommandé, tandis que pour les applications plus légères où une conception compacte est souhaitée, un actionneur à simple crémaillère peut être spécifié.
Un actionneur d'une certaine taille est également susceptible de fournir une gamme de couple en fonction de la pression de commande qui lui est appliquée. Les autres critères à prendre en compte lors de la sélection d'un actionneur rotatif sont la plage d'oscillation, le volume d'air nécessaire à l'opération, le fluide de commande et l'interface, y compris les options d'arbre de sortie, la taille des brides et les orifices d'air de pilotage.
Applications
En raison de leur couple constant, les actionneurs à pignon et crémaillère sont fréquemment utilisés et constituent souvent le type d'actionneur pneumatique préféré pour les vannes. Ils sont utilisés pour le mélange, le déversement, l'alimentation intermittente, la rotation continue, le retournement, le positionnement, l'oscillation, le levage, l'ouverture et la fermeture et la rotation. Ces actionneurs sont utilisés pour diverses fonctions mécaniques dans l'industrie sidérurgique, la manutention, les opérations maritimes, les équipements de construction, les machines d'exploitation minière et la direction assistée hydraulique.