Actionneurs rotatifs pneumatiques - Leur fonctionnement
Figure 1 : Actionneurs rotatifs pneumatiques
Un actionneur pneumatique rotatif utilise de l'air comprimé pour générer son énergie de fonctionnement. Certains sont conçus spécifiquement pour contrôler les vannes à distance. L'air propre et sec peut être fourni par une station centrale d'air comprimé ou, dans le cas d'un système de gaz comprimé, par le gaz de traitement. Le gaz résiduel peut ensuite être rejeté dans l'air ou dans une tuyauterie de traitement à plus basse pression en aval. Ils sont généralement utilisés pour automatiser et contrôler à distance les vannes quart de tour ou multi-tours, comme les vannes à bille ou les vannes papillon.
Un actionneur pneumatique rotatif se compose d'une ou plusieurs chambres à air avec un piston ou une membrane à soufflet. Selon la conception, la pression de l'air force le piston ou la membrane à se déplacer, créant ainsi un mouvement linéaire ou rotatif. Si le mouvement créé est linéaire, il convertit en interne le mouvement linéaire en mouvement de rotation. Les actionneurs rotatifs pneumatiques sont durables, offrent une force élevée par rapport à leur taille et peuvent être utilisés dans des environnements dangereux.
En général, pour actionner une vanne rotative, on utilise un actionneur rotatif. Cependant, il existe également des modèles qui utilisent des cylindres pneumatiques, qui créent un mouvement linéaire, pour générer un couple au moyen de bras pivotants ou de roulements. Cependant, la spécification d'actionneurs rotatifs pneumatiques pour ces applications peut simplifier la conception et augmenter la durée de vie. Les actionneurs rotatifs pneumatiques sont autonomes, leurs pièces ne sont donc pas exposées aux contaminants et aux environnements agressifs, ce qui signifie qu'ils sont moins susceptibles de nécessiter une maintenance au cours de leur durée de vie.
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Simple ou double effet
Les actionneurs pneumatiques peuvent être à simple ou à double effet. Un actionneur à double effet est alimenté en air des deux côtés du piston. Une pression d'air plus élevée d'un côté ou de l'autre crée un mouvement d'ouverture et de fermeture de la soupape. Un actionneur simple effet, quant à lui, est alimenté en air d'un côté et utilise un ou plusieurs ressorts pour ramener le piston en position. Un actionneur à ressort de rappel peut être conçu pour être fermé ou ouvert par un ressort. Ces actionneurs économisent l'air comprimé, mais les actionneurs à double effet offrent un meilleur contrôle et fonctionnent à des cadences plus élevées. Dans certaines applications, les actionneurs à ressort de rappel peuvent présenter l'avantage de revenir à la position de base en cas de perte de pression ou de puissance.
Conception
Dans les actionneurs pneumatiques rotatifs, la force linéaire d'un piston est convertie en couple par des mécanismes tels que la crémaillère ou la chape. En revanche, les actionneurs à palettes peuvent produire directement un couple à partir de la pression de l'air.
Crémaillère
Une crémaillère, comme le montre la figure 2, se compose d'un engrenage circulaire (le pignon) engagé dans un engrenage linéaire (la crémaillère). Lorsqu'il est actionné, le piston fixé à la crémaillère se déplace linéairement. Grâce à la connexion de l'engrenage au pignon, il le fait tourner avec l'arbre de sortie qui lui est attaché, transformant ainsi le mouvement linéaire en mouvement rotatif.
Figure 2 : Engrenages à crémaillère à gauche et actionneur rotatif à crémaillère à double effet à droite.
Souvent, deux pistons et crémaillères sont installés l'un à côté de l'autre pour doubler le couple sur le pignon, comme le montre la figure 3. Dans cet actionneur à double effet, les deux chambres latérales sont remplies d'air sous pression qui pousse les pistons vers le centre. Pour ramener les pistons en position initiale, la chambre centrale est à son tour mise sous pression.
Figure 3 : Actionneurs rotatifs à crémaillère à double effet avec une crémaillère à gauche et une à droite
La conception de la crémaillère et du pignon a un rendement mécanique assez élevé. Ils peuvent produire une gamme de couples allant de quelques Nm à plusieurs milliers de Nm.
Les actionneurs à pignon et crémaillère usés sont sujets au jeu, qui est causé par des engrenages usés et des espaces entre les engrenages, ce qui entraîne une réduction de la précision. Lorsque la précision du positionnement est essentielle, les versions à double rack sont recommandées. Par rapport aux actionneurs à palettes, les modèles à crémaillère ont une plus grande plage d'oscillation.
Joug écossais
Figure 4 : Actionneurs à arcade Scotch
Dans un mécanisme à étrier, l'arbre du piston est engagé dans un arbre rotatif par l'intermédiaire d'une goupille et d'une fente, comme le montre la figure 5. Le mouvement linéaire de l'arbre entraîne la rotation de l'axe. Les actionneurs à arcade Scotch peuvent être à retour par ressort ou à double effet. Ces actionneurs peuvent également être équipés de deux pistons opposés pour doubler le couple sur l'arbre de sortie, comme le montre la figure 5 à droite. Les actionneurs à arcade Scotch sont des actionneurs à usage intensif produisant des couples allant de plusieurs milliers à des centaines de milliers de Nm.
Figure 5 : Actionneurs pneumatiques à arcade Scotch à retour par ressort (simple effet)
Vane-type
L'actionneur à palettes illustré à la figure 6 est constitué d'une chambre traversée par un arbre auquel est reliée une palette. Lorsque de l'air comprimé est envoyé d'un côté de la palette, la pression différentielle entraîne la rotation de la palette et de l'arbre.
Figure 6 : A gauche : Intérieur de la chambre d'un actionneur à palette : réglage de la course (A), orifice (B), palette mobile (C) et arbre (D). A droite : un actionneur à palettes
Les actionneurs à palette sont des actionneurs légers produisant des couples allant d'une fraction de Nm à plusieurs centaines. Ils peuvent être à rappel par ressort ou à double effet et sont disponibles en configuration à simple ou double palette. Les configurations à double palette permettent d'obtenir des couples plus élevés au détriment d'amplitudes d'oscillation plus faibles. L'oscillation des actionneurs à double palette varie de 90° à 100°, tandis que les actionneurs à simple palette peuvent avoir une amplitude allant jusqu'à 280°.
Critères de sélection
La première étape de la sélection d'un actionneur rotatif pneumatique consiste à déterminer le type d'actionneur le mieux adapté à votre application. Bien que les actionneurs à arcade soient principalement utilisés pour des applications lourdes, il est judicieux d'examiner les options disponibles lors de la sélection d'un actionneur rotatif pour des applications légères et moyennes.
Actionneurs à crémaillère :
- Avantages :
- Rendement mécanique plus élevé - 90 à 95
- Applications moyennes
- Actionnement à grande vitesse
- Plus grande plage d'oscillation
- Inconvénients :
- Risque de contrecoup dû à l'usure
- Légèrement plus cher
Actionneurs à palette :
- Avantages :
- Généralement, les capacités de couple sont plus économiques en termes d'argent.
- Applications légères et moyennes
- Positionnement précis
- Inconvénients :
- Durée de vie plus courte que celle des actionneurs à crémaillère
- Efficacité mécanique légèrement inférieure, principalement en raison des fuites autour de l'aube.
- Plage d'oscillation limitée
Le dimensionnement de l'actionneur serait alors l'étape suivante. Les actionneurs pneumatiques sont souvent caractérisés par la quantité de couple qu'ils peuvent produire ou arrêter, ce qui conduit au dimensionnement de l'actionneur. 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 l'angle de rotation, le volume d'air nécessaire à l'opération, le fluide de commande, les matériaux et l'interface, y compris les options d'arbre de sortie, la taille des brides et les orifices d'air de pilotage.