Vanne de contrôle directionnel - Comment elles fonctionnent

Les vannes de contrôle directionnel dirigent le flux d'air comprimé ou d'huile vers divers dispositifs dans les systèmes pneumatiques. Elles sont utilisées dans diverses applications, comme l'opération de cylindres, de grandes vannes industrielles ou d'outils pneumatiques. Ces vannes ont plusieurs ports et remplissent différentes fonctions au sein d'un circuit. Les vannes de contrôle directionnel peuvent être actionnées par divers moyens, comme manuellement ou en utilisant une électrovanne. Cet article explore les différents types de vannes de contrôle directionnel à électrovanne utilisées dans les systèmes pneumatiques.

Table des matières

• Comment fonctionne une vanne de contrôle directionnel
• Consommation d'énergie et mécanisme de fonctionnement
• Considérations d'application
• Vannes mono-stables et bi-stables
• Types de vannes de contrôle directionnel pneumatiques
  • Vanne 2/2 voies
  • Vanne 3/2 voies
  • Vanne 5/2 voies
  • Vanne 5/3 voies
• Norme Namur

Comment fonctionne une vanne de contrôle directionnel

Les électrovannes pneumatiques ont généralement un design à tiroir. Elles se composent d'un corps en aluminium avec un trou cylindrique. Les différents ports de la vanne se connectent au cylindre. Un tiroir coulissant dans le cylindre possède plusieurs joints le long de sa longueur. En faisant glisser le tiroir d'avant en arrière à travers le cylindre, différents ports peuvent être connectés ou fermés. Il est difficile de créer une étanchéité sans aucune fuite avec le design à tiroir. Par conséquent, les électrovannes pneumatiques ont toujours une très petite (mais acceptable) fuite interne. De plus, ces vannes sont bidirectionnelles.

Consommation d'énergie et mécanisme de fonctionnement

Les électrovannes pneumatiques ont une faible consommation d'énergie. Cela est principalement dû à la force relativement faible requise pour déplacer le tiroir à l'intérieur du corps de la vanne. La pression de l'air exercée sur le tiroir a un impact limité sur cette force, rendant le fonctionnement de ces vannes moins énergivore. De plus, la force exercée par le ressort dans les vannes monostables (vannes qui reviennent à une position par défaut lorsqu'elles ne sont pas actionnées) est minimale, réduisant encore l'énergie nécessaire pour le fonctionnement.

Mécanisme de fonctionnement

Le fonctionnement des électrovannes pneumatiques est souvent facilité par un mécanisme de pilotage, qui peut être soit direct soit indirect (piloté) :

• Vannes pilotées : Dans ce design, l'électrovanne n'actionne pas directement la vanne. Au lieu de cela, elle contrôle la pression de l'air qui actionne la vanne. Cette méthode indirecte réduit considérablement la force requise par l'électrovanne, car la majeure partie de la force d'actionnement est dérivée de la pression de l'air elle-même. Ce système permet l'utilisation de solénoïdes plus petits et plus économes en énergie, contribuant à l'efficacité énergétique globale de la vanne.
• Pilotage interne vs externe : Les électrovannes pneumatiques peuvent être pilotées en interne ou en externe.
  • Les vannes pilotées en interne utilisent la pression de l'air entrant dans la vanne pour l'actionnement, nécessitant une pression différentielle entre 0,1 et 1,5 bar pour fonctionner correctement, ce qui les rend inadaptées aux applications à basse pression ou sous vide en raison du risque d'échec de changement d'état si la pression d'entrée est trop basse.
  • Les vannes pilotées en externe dépendent d'une source de pression d'air séparée pour l'actionnement, les différenciant des vannes pilotées en interne qui utilisent la pression de l'air entrant.

Considérations d'application

Il n'est pas recommandé d'utiliser des électrovannes pneumatiques pour d'autres médias tels que l'eau ou l'huile. De nombreuses électrovannes pneumatiques sont pilotées en interne et évacuent une quantité minimale d'air nécessaire pour actionner la vanne. Une petite perte d'air dans l'environnement est acceptable dans la plupart des applications, mais pas dans le cas de l'eau, de l'huile ou d'autres types de médias. De plus, les matériaux de la vanne sont optimisés pour une utilisation avec de l'air. Habituellement, la vanne est composée de pièces en aluminium et de joints en NBR ou HNBR. D'autres médias que l'air peuvent provoquer de la corrosion ou d'autres réactions chimiques, ce qui peut avoir un impact négatif sur la durée de vie de la vanne. Lisez notre guide de résistance chimique pour plus d'informations sur les matériaux des vannes et leur compatibilité avec divers médias.

Vannes mono-stables et bi-stables

• Une vanne mono-stable reste dans sa position d'origine avec un ressort (qui peut être alimenté par de l'air ou de l'électricité). Lorsque la vanne est activée (comme l'activation d'une électrovanne), elle passe à son état actif. Une fois l'alimentation coupée, la vanne revient à sa position de départ. Ces vannes sont également appelées électrovannes à action simple.
• Une vanne bi-stable change de position avec une action rapide et y reste. Elle ne revient pas à son état initial même après l'arrêt de l'action. Une électrovanne bi-stable a généralement une électrovanne à chaque extrémité, chacune contrôlant une position différente. Ces vannes sont connues sous le nom d'électrovannes à double action.

Types de vannes de contrôle directionnel pneumatiques

Les vannes de contrôle directionnel d'air sont représentées par deux chiffres. Le premier chiffre indique le nombre de ports de la vanne, et le second chiffre est le nombre d'états. Par exemple, une vanne 2/2 voies a deux ports (entrée/sortie) et deux états (ouvert/fermé). Une vanne 5/2 voies a cinq ports et deux états. Les vannes directionnelles ont généralement deux, trois ou cinq ports. Les sections suivantes expliquent en détail les différents types. Lisez notre article sur les symboles des vannes pour plus de détails sur les symboles des vannes directionnelles.

Vanne 2/2 voies

Le type de vanne le plus simple et le plus courant est la vanne 2/2 voies. Elle comporte deux ports et deux positions (ouvert et fermé), c'est pourquoi elle est souvent appelée vanne d'arrêt. Principalement, ces vannes fonctionnent comme des interrupteurs de base marche/arrêt dans les systèmes pneumatiques, contrôlant le flux d'air en permettant soit de le laisser passer, soit de le bloquer entièrement. Leur rôle dans les systèmes pneumatiques est plus axé sur des tâches de contrôle marche/arrêt simples plutôt que sur un contrôle directionnel complexe, ce qui les rend moins courantes par rapport à d'autres types de vannes conçues pour des opérations pneumatiques plus spécifiques.

Vanne 3/2 voies

Une vanne de contrôle d'air 3/2 voies, caractérisée par ses trois ports et deux positions, joue un rôle crucial dans les systèmes pneumatiques, en particulier dans le fonctionnement des vérins à simple effet. Ce type de vanne est conçu pour contrôler le flux d'air de manière à permettre à un vérin de s'étendre ou de se rétracter, puis de revenir à sa position d'origine, prêt pour le prochain cycle. L'inclusion d'un troisième port la distingue des vannes 2/2 voies plus simples, fournissant la fonctionnalité essentielle pour évacuer le vérin après chaque action. Les applications spécifiques des vannes 3/2 voies sont :

• Contrôle de vérin simple effet: Les vérins simple effet nécessitent de l'air pour se déplacer dans une direction pour s'étendre, puis doivent être ventilés pour se rétracter. La vanne 3/2 voies gère efficacement ce processus en fournissant de l'air pour étendre le vérin, puis en changeant de position pour ventiler le vérin, permettant ainsi sa rétraction.
• Systèmes de contrôle pneumatique: Dans les systèmes où un contrôle précis d'une seule action est nécessaire, comme dans les lignes d'assemblage automatisées, les machines d'emballage ou les systèmes de manutention, les vannes 3/2 voies offrent le contrôle et la fiabilité nécessaires.
• Actionnement des outils pneumatiques: De nombreux outils pneumatiques nécessitent une impulsion d'air pour fonctionner, puis doivent être réinitialisés. Les vannes 3/2 voies sont idéales pour ces applications, fournissant l'alimentation en air à la demande et la ventilation subséquente.

Similaires aux vannes 2/2 voies, les vannes 3/2 voies peuvent être mono-stables ou bi-stables. Les vannes 3/2 voies mono-stables peuvent être conçues pour être normalement fermées ou normalement ouvertes, selon les exigences de l'application.

Vanne 5/2 voies

Une vanne 5/2 voies a cinq ports et deux états. Les électrovannes pneumatiques 5/2 voies sont des composants polyvalents utilisés dans divers systèmes pneumatiques pour contrôler la direction du flux d'air, gérant ainsi le mouvement des actionneurs, tels que les vérins ou les pistons, dans deux directions (extension et rétraction, par exemple). Les vannes 5/2 voies peuvent être mono-stables ou bi-stables.

Vanne 5/3 voies

Les électrovannes pneumatiques 5/3 voies sont des composants avancés dans les systèmes pneumatiques, offrant un contrôle précis des vérins double effet. Contrairement aux vannes plus simples, celles-ci ont une troisième position qui permet d'arrêter un vérin à mi-course, utile pour des ajustements précis ou des pauses dans le mouvement. Ces vannes reviennent automatiquement à la position médiane lorsqu'elles ne sont pas alimentées, garantissant la sécurité en passant à un état neutre en cas de panne de courant. Deux électrovannes contrôlent le mouvement pour étendre ou rétracter l'actionneur. Les principaux types de vannes 5/3 voies sont:

• Centre fermé : Bloque tous les ports en position médiane, économisant de l'énergie et maintenant la position de l'actionneur stable sans consommation d'air.
• Centre de ventilation : Connecte les ports à l'échappement, permettant le mouvement manuel de l'actionneur. Cela est utile pour les ajustements manuels.
• Centre pressurisé : Maintient l'actionneur sous pression en position médiane, prêt pour une action rapide. Cela est idéal pour les systèmes nécessitant des réponses rapides.

Les électrovannes 5/3 voies sont essentielles dans l'automatisation, la manutention des matériaux, l'emballage et les chaînes de montage où le contrôle de la position de l'actionneur est crucial. Leur capacité à gérer précisément le mouvement de l'actionneur améliore à la fois l'efficacité et la sécurité dans diverses applications industrielles.

Norme Namur

De nombreuses électrovannes pneumatiques présentent un design de bride standardisé, permettant un montage direct sur des dispositifs tels que les actionneurs pneumatiques. Une norme largement reconnue à cet effet est la norme NAMUR (VDI/VDE 3845). Originaire d'Europe, cette norme spécifie une interface uniforme pour fixer les distributeurs directement sur les actionneurs rotatifs, et elle a gagné une acceptation mondiale. Les aspects clés de la norme NAMUR sont :

• Adoption mondiale : Malgré ses origines européennes, la norme NAMUR est utilisée dans le monde entier, assurant la compatibilité et la facilité d'intégration dans diverses industries.
• Mécanisme de montage : Les vannes sont généralement fixées à l'actionneur à l'aide de vis M5. Cependant, aux États-Unis, les actionneurs sont souvent conçus avec des filetages #10-24 pour s'adapter aux préférences locales.
• Étanchéité : Pour éviter les fuites et assurer une connexion sécurisée entre la vanne et l'actionneur, deux joints toriques sont utilisés. Ce mécanisme d'étanchéité est crucial pour maintenir l'efficacité et la fiabilité du système.
• Positions de montage polyvalentes : Le design de l'interface permet de monter la vanne dans deux positions différentes en la faisant simplement pivoter de 180 degrés. Cette flexibilité peut modifier la direction de rotation de l'actionneur en fonction de la manière dont la vanne de commande est alimentée, offrant un contrôle et une adaptabilité supplémentaires dans la conception du système.

Cette approche standardisée simplifie l'intégration des électrovannes dans les systèmes pneumatiques, améliorant la compatibilité et la facilité d'installation dans un large éventail d'applications. En adhérant à la norme NAMUR, les fabricants s'assurent que leurs produits peuvent être facilement intégrés dans des systèmes du monde entier, favorisant l'efficacité et la fiabilité des opérations pneumatiques. La figure 7 montre les dimensions d'une vanne avec des ports G1/4" et G1/2".

Tableau 1 : Détails dimensionnels de la bride standard NAMUR

T	A	B	M
G1/4"	32	24	M5
G1/2"	45	40	M6