Électrovanne pneumatique pour un cylindre à action simple

Comment choisir une électrovanne pneumatique pour un vérin pneumatique simple effet ?

Résumé

Un vérin pneumatique à simple effet est un actionneur linéaire qui réalise une course de travail en remplissant le cylindre d'air comprimé. La course de retour est généralement assurée par un ressort. La bouteille est dotée d'un orifice de raccordement qui sert soit à la remplir, soit à la purger. Pour contrôler le cylindre, on utilise une vanne 3/2 voies. 3/2 signifie trois orifices et deux positions : un orifice est relié à la source d'air comprimé, un orifice est nécessaire comme échappement et le troisième orifice est relié au cylindre. Le robinet a deux positions : remplissage ou purge de la bouteille. La taille requise du distributeur peut être calculée une fois que les propriétés du cylindre et de l'application sont connues.

Principe de base des vérins à simple effet

Un vérin 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 un sens et la force du ressort pour revenir à la position de base. Le travail peut être effectué dans le sens de l'air. La bouteille possède 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 cylindre à ressort de rappel, le ressort est situé entre l'extrémité avant du cylindre et le piston (autour de la tige du piston). Dans cette conception, la tige du piston s'étend lorsque l'air comprimé est fourni au cylindre. Dès que l'alimentation en air est coupée, la tige du piston se rétracte par la force 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 vérins à ressort, le ressort est situé entre le piston et l'extrémité arrière du vérin.

Symboles des vérins à simple effet

Symboles des vérins pneumatiques selon ISO1219-1 ; Retour par force externe (gauche), retour par ressort (milieu) et extension par ressort (droite)

L'utilisation de vérins à simple effet présente certains avantages par rapport aux vérins à double effet : moins de tubes, moins d'utilisation d'air comprimé et moins de câblage nécessaire pour le système. Les vérins à simple effet présentent également des inconvénients : le ressort prend de la place et limite la course utile du vérin. En outre, la force du ressort réduit la force pneumatique et limite la force résultante du cylindre.

vue en coupe d'un cylindre pneumatique à ressort de rappel et à ressort d'extension

Un vérin pneumatique 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 :

  • Accident vasculaire cérébral
  • Taille de l'alésage
  • Diamètre de la 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 correspond au 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 une vanne à trois orifices, par exemple une électrovanne pneumatique. Un port est relié à la source d'air comprimé, le deuxième port est utilisé pour alimenter/évacuer l'air vers le cylindre et le troisième port est un port d'échappement.

Principe de base des électrovannes pneumatiques

Principe de fonctionnement

Lesélectrovannes pneumatiques sont utilisées pour contrôler la direction du flux d'air comprimé. Une pièce mobile à l'intérieur de la vanne bloque ou ouvre les orifices de la vanne. La partie mobile est appelée tiroir ou piston. Le mouvement de la bobine peut être contrôlé de deux façons : par commande directe ou par commande indirecte.

Emplacement pour image de valve sg. comme ceci :

En fonctionnement 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. Dans ce cas, une vanne pilote supplémentaire est utilisée. La vanne pilote est une petite vanne 3/2 voies 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 façon, 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 être commutées. Par conséquent, ces vannes ne peuvent pas être utilisées pour des applications sous vide, sauf si la vanne pilote est actionnée par une source externe d'air comprimé (pilotage externe).

Types d'électrovannes pneumatiques

Il existe plusieurs types d'électrovannes pneumatiques. La fonction de la vanne dépend toujours de l'application. Les fonctions les plus courantes des vannes dans les systèmes pneumatiques sont les suivantes :

symboles des électrovannes 3/2

Symboles pour les électrovannes 3/2 ; normalement ouvertes et monostables (gauche), normalement fermées et monostables (centre) et normalement fermées et bi-stables (droite).

La vanne 3/2 peut être normalement ouverte (NO) ou normalement fermée (NC). Une vanne normalement ouverte (valve) laisse l'air passer 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 désexcité, l'air est évacué de l'orifice 2 vers l'orifice 3. Dès que le solénoïde est alimenté, la vanne commute 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 monostables sont souvent à ressort de rappel et fonctionnent comme une sonnette : elles restent commutées/actionnées tant que le solénoïde est sous tension. La version bistable comporte souvent deux solénoïdes et fonctionne comme un interrupteur de lumière ; elle est commutée par une impulsion d'un solénoïde, et réactivée par une impulsion de l'autre solénoïde.

représentation symbolique d'un vérin à ressort de rappel commandé par une électrovanne 3/2 voies monostable NC

Représentation symbolique d'un vérin à ressort de rappel commandé par une électrovanne 3/2 voies monostable à commande numérique. Dans l'état de repos de l'électrovanne (à gauche), le cylindre se rétracte par la force du ressort et l'air peut s'échapper par l'échappement. Lorsque le distributeur est sous tension (à droite), le cylindre est rempli d'air et sort.

Pour commander un vérin à simple effet, on utilise un distributeur 3/2. La vanne 3/2 a trois orifices et deux positions. Les ports sont IN (1 ou P), OUT (2 ou A) et EXHAUST (3 ou R). La valve a deux positions : l'une pour pressuriser la bouteille (l'air circule de l'orifice 1 à 2, l'orifice 3 est fermé), et l'autre pour évacuer l'air de la bouteille vers l'échappement (l'air circule de l'orifice 2 à 3, l'orifice 1 est fermé). Divers 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'empreinte de la vanne (trous de montage) est spécifiée par le fabricant ou par des normes, comme la norme NAMUR ou ISO. Les vannes peuvent également être montées sur une base ou un collecteur.

Dimensionnement des vannes

Afin de spécifier la taille appropriée de la vanne, il faut calculer la consommation d'air du système pneumatique et le débit d'air requis. 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 les pertes du système entrent en ligne de compte pour le calcul.

Consommation d'air par cycle =

Consommation d'air par cycle =

Consommation d'air par minute =

Consommation d'air par minute =

Débit pendant la course de travail =

Débit pendant la course de travail =

Dans lequel :

  • A : surface de réception de la pression [mm2 ]
  • a : surface de la section intérieure du tuyau [mm2 ]
  • p : pression d'alimentation [MPa] (1MPa = 10bar)
  • N : fréquence de fonctionnement [cycle/min]
  • L : course du cylindre [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 de "conditions de l'atmosphère normale de référence", ce qui signifie "conditions atmosphériques standard de référence" (20℃, 1013mbar, humidité (relative) 65%).

schéma du circuit pneumatique d'un vérin à simple effet avec un distributeur 3/2 voies

Circuit pneumatique avec un vérin simple effet à ressort de rappel et un distributeur 3/2 voies à commande numérique.

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
  • Alésage / Diamètre du piston = 40 mm

Pour connecter le cylindre avec la valve 3/2, le tube suivant est utilisé :

  • Longueur de la tuyauterie (l) = 2 m
  • Diamètre intérieur du tuyau (d) = 4 mm

La fréquence de fonctionnement requise (N) est de 50 cycles/min.

La surface de réception de la pression peut être calculée à partir de la taille de l'alésage :

Mathjax- Calcul de la zone de réception de la pression

Calcul de la zone de réception de la pression

La zone intérieure du tuyau est :

Mathjax- Calcul de la surface intérieure du tuyau

Calcul de la surface intérieure du tuyau

Maintenant, la consommation d'air au moment de l'extrusion (Q) peut être calculée. Dans ce cas, il s'agit également de la consommation d'air pour un cycle :

Mathjax- Consommation d'air à l'extrusion

Consommation d'air à l'extrusion

La consommation d'air/minute est de :

Consommation d'air par minute =

Consommation d'air par minute =

La durée totale de la course (t) est de 0,6 s.

Le débit d'air requis :

Le débit d'air requis :

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 ont une certaine perte d'air et de pression !

Diagramme de flux

Exemple d'un diagramme de débit avec le débit nominal (L/min) en fonction de la pression d'entrée et de la perte de pression.

Dans cet exemple, le débit d'air de la vanne doit être supérieur à 50 dm3/min et 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 changée en bar, ainsi 0,5 MPa est égal à une pression de 5 bar. A l'aide du diagramme de débit, on peut constater que la plus petite vanne (type PS-32AS-AM5) est assez grande pour ce système. À 5 bars, la valve est capable de délivrer environ 300 l/min d'air comprimé.

Le distributeur sélectionné est capable d'actionner le vérin à simple effet, mais la fréquence de fonctionnement du vérin (vitesse du piston) peut être supérieure à celle requise, car le débit du distributeur n'est pas le même que le débit requis calculé. La vitesse du piston peut être ajustée 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 milieu, température de l'environnement), le niveau IP, la pression et la tension minimum-maximum sont d'autres facteurs importants pour la sélection. La taille correcte de la vanne ne suffit pas à elle seule à construire un système pneumatique correct.