Comment choisir une électrovanne pneumatique pour un vérin pneumatique simple effet ?
Exemples de distributeurs pneumatiques sur un collecteur.
Un vérin pneumatique à simple effet est un actionneur linéaire qui réalise une course de travail en remplissant le vérin d'air comprimé. La course de retour est généralement assurée par un ressort. La bouteille possède un orifice de raccordement qui sert à remplir ou à purger la bouteille. Pour contrôler le cylindre, on utilise un distributeur 3/2. 3/2 voies signifie trois orifices et deux positions : un orifice se connecte à la source d'air comprimé, un orifice est nécessaire pour l'échappement et le troisième orifice se connecte au cylindre. Le robinet a deux positions : remplissage ou mise à l'air libre de la bouteille. La taille du robinet nécessaire peut être calculée une fois que les propriétés de la bouteille et de l'application sont connues.
Principe de base des vérins à simple effet
Un cylindre pneumatique est un actionneur linéaire qui fonctionne avec de l'air comprimé. Les principales pièces du cylindre sont le piston, la tige du piston, le tube du cylindre, les joints et les garnitures. Les vérins à simple effet ont également un ressort à l'intérieur du vérin. Un vérin à simple effet fonctionne avec de l'air comprimé pour actionner le piston dans une direction et avec la force du ressort pour revenir à la position de base. Le travail peut être effectué dans le sens de l'air. Le cylindre est doté d'un orifice qui sert à la fois à l'alimentation et à l'évacuation de l'air comprimé.
Il existe deux types de vérins à simple effet : à rappel par ressort et à extension par ressort. Le type le plus courant est le cylindre à ressort de rappel. Dans le vérin à rappel par ressort, le ressort est situé entre l'extrémité avant du vérin et le piston (autour de la tige de piston). Dans cette conception, la tige du piston s'étend lorsque de l'air comprimé est fourni au cylindre. Dès que l'alimentation en air est coupée, la tige du piston se rétracte sous l'effet du ressort. Le cylindre à ressort fonctionne dans l'autre sens. Le piston se rétracte lorsque de l'air comprimé est fourni. Lorsque l'alimentation en air est coupée, le ressort pousse la tige vers l'extérieur. Dans les cylindres à ressort, le ressort est situé entre le piston et l'extrémité arrière du cylindre.
Figure 2 : Symboles des vérins pneumatiques selon ISO1219-1 ; retour de force externe (à gauche), retour par ressort (au milieu) et extension par ressort (à droite)
L'utilisation de vérins à simple effet présente certains avantages par rapport aux vérins à double effet : moins de tuyaux, moins d'utilisation d'air comprimé et moins de câblage pour le système. Les vérins à simple effet présentent également des inconvénients : le ressort prend de la place et limite la course de travail du vérin. En outre, la force du ressort réduit la force pneumatique et limite la force résultante du cylindre.
Figure 3 : Un vérin pneumatique à simple effet à ressort d'extension (A) et à ressort de rappel (B).
Les vérins à simple effet peuvent être spécifiés par les paramètres clés suivants :
- Longueur de la course
- Taille de l'alésage
- Diamètre de tige
- Force du ressort
- Pression du système
La course est la distance entre la position finale et la position de base (longueur du mouvement). La taille de l'alésage est le diamètre du piston. Pour choisir le bon cylindre, veuillez suivre la méthode de dimensionnement du fabricant du cylindre. Le vérin à simple effet est normalement commandé par un distributeur à trois voies, par exemple une électrovanne pneumatique. L'un des orifices est relié à la source d'air comprimé, le deuxième est utilisé pour alimenter/ventiler le cylindre et le troisième est un orifice d'échappement.
Principe de base des électrovannes pneumatiques
Principe de fonctionnement
Les électrovannes pneumatiques sont utilisées pour contrôler le sens d'écoulement de l'air comprimé. Une pièce mobile à l'intérieur de la soupape bloque ou ouvre les orifices de la soupape. La partie mobile est appelée tiroir ou piston. Le mouvement de la bobine peut être contrôlé de deux manières : opération directe ou opération indirecte.
En mode direct, le tiroir est directement actionné par le solénoïde. Les vannes à commande directe sont indépendantes de la pression du système et peuvent donc être utilisées pour les basses pressions ou le vide.
En cas de fonctionnement indirect, le tiroir n'est pas directement actionné par le solénoïde. La valve utilise la pression du système pour déplacer le tiroir. Une vanne pilote supplémentaire est utilisée à cet effet. La vanne pilote est une petite vanne 3/2 à action directe. La valve pilote fournit de l'air comprimé à un petit cylindre d'air situé à l'intérieur de la valve. L'air comprimé dans ce cylindre exerce une force sur le piston et actionne le tiroir pour commuter la valve... De cette manière, un solénoïde relativement petit peut être utilisé pour commuter la vanne. Ces vannes sont dites à pilotage interne et nécessitent une pression d'entrée pour se déclencher. Par conséquent, ces vannes ne peuvent pas être utilisées pour des applications sous vide, à moins que la vanne pilote ne soit actionnée par une source externe d'air comprimé (pilotage externe).
Types d'électrovannes pneumatiques
Plusieurs types d'électrovannes pneumatiques sont disponibles. La fonction de la vanne dépend toujours de l'application. Les fonctions les plus courantes des vannes dans les systèmes pneumatiques sont les suivantes :
- 5/2 mono-stable
- 5/2 bi-stable
- 5/3 centre fermé
- 5/3 centre d'échappement
- 5/3 centre de pression
- 3/2 bi-stable
- 3/2 normalement ouvert (NO)
- 3/2 normalement fermé (NC)
- 2/2 normalement ouvert (NO)
- 2/2 normalement fermé (NC)
Figure 4 : Symboles des électrovannes 3/2 : normalement ouverte et mono-stable (à gauche), normalement fermée et mono-stable (au centre) et normalement fermée et bi-stable (à droite).
La vanne 3/2 peut être normalement ouverte (NO) ou normalement fermée (NC). Une vanne normalement ouverte laisse passer l'air de l'orifice 1 à l'orifice 2, lorsqu'elle n'est pas actionnée. Si le solénoïde est alimenté, la vanne commute et l'air est évacué de l'orifice 2 vers l'orifice 3. Une vanne normalement fermée fonctionne à l'inverse. Lorsque le solénoïde est désactivé, l'air est évacué de l'orifice 2 vers l'orifice 3. Dès que le solénoïde est alimenté, la vanne s'enclenche et l'air comprimé peut circuler de l'orifice 1 à l'orifice 2. Les vannes normalement fermées sont les plus courantes. Il existe également des vannes NO/NC, qui peuvent être utilisées dans les deux sens (NO/NC).
Les électrovannes 3/2 peuvent être mono- ou bi-stables. Les vannes mono-stables sont souvent à ressort de rappel et fonctionnent comme une sonnette : elles restent commutées/actionnées lorsque le solénoïde est sous tension. La version bi-stable comporte souvent deux solénoïdes et fonctionne comme un interrupteur ; elle est commutée par l'impulsion d'un solénoïde et rétablie par l'impulsion de l'autre solénoïde.
Figure 4 : Représentation symbolique d'un vérin à rappel par ressort commandé par une électrovanne 3/2 mono-stable à commande numérique. Lorsque l'électrovanne est au repos (à gauche), le cylindre se rétracte sous l'effet de la force du ressort et l'air peut s'échapper par l'échappement. Lorsque le robinet est sous tension (à droite), le cylindre est rempli d'air et se déploie.
Pour commander un vérin à simple effet, on utilise un distributeur 3/2. Le distributeur 3/2 a trois orifices et deux positions. Les ports sont IN (1 ou P), OUT (2 ou A) et EXHAUST (3 ou R). Le robinet a deux positions : l'une pour pressuriser la bouteille (l'air passe de l'orifice 1 à l'orifice 2, l'orifice 3 est fermé), et l'autre pour évacuer l'air de la bouteille vers l'échappement (l'air passe de l'orifice 2 à l'orifice 3, l'orifice 1 est fermé). Différents raccords peuvent être utilisés pour se connecter aux ports IN et OUT. Un silencieux peut être installé dans l'orifice d'échappement pour réduire le bruit acoustique. L'encombrement de la vanne (trous de montage) est spécifié par le fabricant ou par des normes, telles que la norme NAMUR ou ISO. Les vannes peuvent également être montées sur une base ou un collecteur.
Dimensionnement des vannes
Afin de déterminer la taille appropriée de la vanne, la consommation d'air du système pneumatique et le débit d'air requis doivent être calculés. La loi de Boyle-Charles (pV=nRT) peut être utilisée pour le calcul. Dans le cas d'un vérin à simple effet, le volume du vérin, la longueur de la tuyauterie, la fréquence de fonctionnement et la perte du système entrent en ligne de compte pour le calcul.
où :
- A : surface de réception de la pression [mm2 ]
- a : surface de la section intérieure du tube [mm2 ]
- p : pression d'alimentation [MPa] (1MPa = 10bar)
- N : fréquence de fonctionnement [cycle/min]
- L:course du vérin [mm]
- l : longueur de la tuyauterie [mm]
- t : durée totale de la course [s]
- T : température [K] (K = °C + 273,15)
Les formules ci-dessus sont valables pour les conditions A.N.R. Le symbole A.N.R. est une abréviation française pour "conditions de l'atmosphère normale de référence" (20℃, 1013mbar, humidité (relative) 65%).
Figure 5 : Circuit pneumatique avec un vérin simple effet à ressort de rappel et un distributeur 3/2 NF.
Exemple
Dans cet exemple, un système pneumatique contient un vérin à ressort de rappel à simple effet, avec les paramètres suivants :
- Pression du système = 0,5 MPa (5 bar)
- Température = 293K (20°C)
- Course du vérin (L) = 50 mm
- Taille de l'alésage / Diamètre du piston = 40 mm
Pour connecter le cylindre à la valve 3/2, le tube suivant est utilisé :
- Longueur de la tuyauterie (l) = 2 m
- Diamètre intérieur du tube (d) = 4 mm
La fréquence de fonctionnement requise (N) est de 50 cycles/min.
La zone de réception de la pression peut être calculée à partir de la taille de l'alésage :
La zone intérieure du tuyau est :
On peut maintenant calculer la consommation d'air au moment de l'extrusion (Q). Dans ce cas, il s'agit également de la consommation d'air pour un cycle :
La consommation d'air par minute est de
La durée totale de la course (t) est de 0,6 s.
Le débit d'air requis :
Lorsque la consommation d'air et le débit d'air requis sont calculés, la vanne peut être sélectionnée. Les fiches techniques des vannes doivent être vérifiées pour trouver les vannes appropriées. Toutes les fiches techniques contiennent des informations sur le débit des vannes (voir l'image ci-dessous). Le débit de la vanne sélectionnée doit être supérieur au débit d'air requis par le système. N'oubliez pas que tous les systèmes pneumatiques présentent des pertes d'air et de pression !
Figure 6 : Exemple de diagramme de débit avec le débit nominal (L/min) en fonction de la pression d'entrée et de la perte de charge.
Dans cet exemple, le débit d'air de la vanne doit être supérieur à 50 dm3/min tandis que la pression du système est de 0,5 MPa. Le débit en dm3/min est égal à l/min. La valeur en MPa peut également être convertie en bar, de sorte que 0,5 MPa équivaut à une pression de 5 bars. Le diagramme de débit permet de constater que la plus petite vanne (type PS-32AS-AM5) est suffisante pour ce système. À 5 bars, la vanne peut fournir environ 300 l/min d'air comprimé.
Le robinet sélectionné est capable d'actionner le cylindre à simple effet, mais la fréquence de fonctionnement du cylindre (vitesse du piston) peut être supérieure à celle requise, car le débit du robinet n'est pas le même que le débit requis calculé. La vitesse du piston peut être réglée par une vanne d'étranglement montée sur l'orifice d'échappement de l'électrovanne. Le matériau de la vanne, l'environnement (poussière, eau ou autres gouttelettes chimiques, température du fluide, température de l'environnement), le niveau IP, la pression et la tension minimales et maximales sont d'autres facteurs importants pour la sélection. La taille correcte de la vanne ne suffit pas à construire un système pneumatique adéquat.
