ÉTUDE HYDRAULIQUE

Analyse d’un circuit à détection de charge

Analyse d'un Circuit à Détection de Charge (Load Sensing)

Analyse d'un circuit à détection de charge (Load Sensing)

Comprendre les Circuits à Détection de Charge (Load Sensing)

Un circuit à détection de charge (ou "Load Sensing", LS) est une technologie avancée conçue pour optimiser l'efficacité énergétique des systèmes hydrauliques. Contrairement à un système standard où la pompe fournit un débit constant à une pression maximale (limitée par un limiteur de pression), un système LS ajuste en temps réel le débit et la pression de la pompe pour ne fournir que ce qui est strictement nécessaire pour actionner la charge. Pour ce faire, une ligne de signalisation "informe" la pompe de la pression requise par le récepteur. La pompe maintient alors sa pression de sortie juste au-dessus de cette pression de charge (d'une valeur appelée marge LS ou \(\Delta P_{LS}\)). Cela réduit considérablement les pertes d'énergie lorsque le système ne fonctionne pas à sa pleine capacité.

Données de l'étude

On compare la puissance perdue entre un circuit standard et un circuit Load Sensing pour alimenter un moteur hydraulique.

Caractéristiques du système :

  • Moteur hydraulique :
    • Couple requis par la charge (\(C_m\)) : \(100 \, \text{N}\cdot\text{m}\)
    • Vitesse de rotation requise (\(N_m\)) : \(1200 \, \text{tr/min}\)
    • Cylindrée du moteur (\(D_m\)) : \(40 \, \text{cm}^3/\text{tr}\)
    • Rendement mécano-hydraulique du moteur (\(\eta_{mhm}\)) : \(0.90\)
  • Configurations du circuit :
    • **Standard :** Pompe à cylindrée fixe, limiteur de pression réglé à \(P_{\text{lim}} = 200 \, \text{bar}\).
    • **Load Sensing :** Pompe à cylindrée variable avec régulateur LS, marge \(\Delta P_{LS} = 20 \, \text{bar}\).
Schémas de Principe
1. Circuit Standard P Distributeur Moteur 2. Circuit Load Sensing P Distributeur Moteur

Comparaison d'un circuit standard (pompe fixe et limiteur) et d'un circuit LS (pompe variable et signal de charge).

Questions à traiter

  1. Calculer la pression de charge (\(P_L\)) requise par le moteur hydraulique pour fournir le couple demandé.
  2. Calculer le débit (\(Q\)) nécessaire pour atteindre la vitesse de rotation souhaitée.
  3. Calculer la puissance hydraulique utile (\(P_{\text{utile}}\)) consommée par le moteur.
  4. Cas 1 (Standard) : Calculer la puissance hydraulique fournie par la pompe (\(P_{\text{fournie, std}}\)) et la puissance perdue (\(P_{\text{perdue, std}}\)).
  5. Cas 2 (Load Sensing) : Calculer la pression de la pompe (\(P_{LS}\)), la puissance fournie (\(P_{\text{fournie, LS}}\)) et la puissance perdue (\(P_{\text{perdue, LS}}\)).
  6. Comparer les puissances perdues et conclure sur le gain énergétique.

Correction : Analyse d'un Circuit à Détection de Charge

Question 1 : Pression de Charge (\(P_L\))

Principe :

La pression requise par un moteur hydraulique est directement liée au couple qu'il doit fournir et à sa cylindrée. On utilise la formule fondamentale du couple moteur, en tenant compte du rendement mécano-hydraulique.

Formule(s) utilisée(s) :
\[C_m = \frac{D_m \cdot P_L \cdot \eta_{mhm}}{2\pi}\] \[P_L = \frac{2\pi \cdot C_m}{D_m \cdot \eta_{mhm}}\]
Calcul :

On convertit la cylindrée en m³/rad : \(D_m = 40 \, \text{cm}^3/\text{tr} = 40 \times 10^{-6} \, \text{m}^3/\text{tr}\). Puisque \(1 \text{ tour} = 2\pi \text{ rad}\), \(D_m = \frac{40 \times 10^{-6}}{2\pi} \, \text{m}^3/\text{rad}\).

Cependant, il est plus simple d'utiliser la cylindrée en m³/tr et de l'annuler avec le \(2\pi\), ou de convertir la pression en bar et la cylindrée en cm³/tr : \(P_L (\text{bar}) = \frac{20\pi \cdot C_m (\text{N.m})}{D_m (\text{cm}^3/\text{tr})}\).

\[ \begin{aligned} P_L &= \frac{2\pi \times 100 \, \text{N}\cdot\text{m}}{(40 \times 10^{-6} \, \text{m}^3/\text{tr}) \times 0.90} \times \frac{1 \, \text{tr}}{2\pi \, \text{rad}} \\ &= \frac{100}{40 \times 10^{-6} \times 0.9} \\ &\approx 1.745 \times 10^7 \, \text{Pa} \approx 174.5 \, \text{bar} \end{aligned} \]

On arrondit à \(175 \, \text{bar}\) pour la suite.

Résultat Question 1 : La pression de charge requise est d'environ \(175 \, \text{bar}\).

Quiz Intermédiaire 1 : Si le couple requis par la charge double, la pression de charge \(P_L\) nécessaire :

Question 2 : Débit Requis (\(Q\))

Principe :

Le débit nécessaire pour faire tourner le moteur à la vitesse souhaitée est simplement le produit de sa cylindrée par sa vitesse de rotation. On ignore le rendement volumétrique du moteur pour ce calcul, considérant que c'est le débit d'entrée qui est demandé.

Formule(s) utilisée(s) :
\[Q = D_m \times N_m\]
Calcul :
\[ \begin{aligned} Q &= 40 \, \text{cm}^3/\text{tr} \times 1200 \, \text{tr/min} \\ &= 48000 \, \text{cm}^3/\text{min} = 48 \, \text{L/min} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : Le débit requis par le moteur est de \(48 \, \text{L/min}\).

Question 3 : Puissance Hydraulique Utile (\(P_{\text{utile}}\))

Principe :

La puissance hydraulique réellement consommée par le moteur pour fournir le travail mécanique est le produit du débit qui le traverse par la chute de pression à ses bornes (\(P_L\)).

Formule(s) utilisée(s) :
\[P_{\text{utile}} = Q \times P_L\]
Calcul :

On convertit les unités : \(Q = 48 \, \text{L/min} = 0.0008 \, \text{m}^3/\text{s}\) et \(P_L = 175 \, \text{bar} = 175 \times 10^5 \, \text{Pa}\).

\[ \begin{aligned} P_{\text{utile}} &= 0.0008 \, \text{m}^3/\text{s} \times (175 \times 10^5 \, \text{Pa}) \\ &= 14000 \, \text{W} = 14 \, \text{kW} \end{aligned} \]
Résultat Question 3 : La puissance utile consommée par la charge est de \(14 \, \text{kW}\).

Question 4 : Pertes en Circuit Standard

Principe :

Dans un circuit standard à pompe fixe, la pompe fournit toujours le débit maximal à une pression dictée par le limiteur de pression (qui doit être réglé plus haut que la pression de charge maximale). L'excès de pression est laminé, générant de la chaleur.

Calcul :

Puissance fournie par la pompe :

\[ \begin{aligned} P_{\text{fournie, std}} &= Q \times P_{\text{lim}} \\ &= 0.0008 \, \text{m}^3/\text{s} \times (200 \times 10^5 \, \text{Pa}) \\ &= 16000 \, \text{W} = 16 \, \text{kW} \end{aligned} \]

Puissance perdue :

\[ \begin{aligned} P_{\text{perdue, std}} &= P_{\text{fournie, std}} - P_{\text{utile}} \\ &= 16 \, \text{kW} - 14 \, \text{kW} = 2 \, \text{kW} \end{aligned} \]
Résultat Question 4 : En mode standard, la puissance perdue est de 2.0 kW.

Question 5 : Pertes en Circuit Load Sensing

Principe :

Dans un circuit LS, la pompe ajuste sa pression pour être juste au-dessus de la pression de la charge, d'une valeur égale à la marge \(\Delta P_{LS}\). La puissance fournie est donc plus faible, car la pression est minimisée.

Calcul :

Pression de la pompe :

\[ P_{LS} = P_L + \Delta P_{LS} = 175 + 20 = 195 \, \text{bar} \]

Puissance fournie par la pompe :

\[ \begin{aligned} P_{\text{fournie, LS}} &= Q \times P_{LS} \\ &= 0.0008 \, \text{m}^3/\text{s} \times (195 \times 10^5 \, \text{Pa}) \\ &= 15600 \, \text{W} = 15.6 \, \text{kW} \end{aligned} \]

Puissance perdue :

\[ \begin{aligned} P_{\text{perdue, LS}} &= P_{\text{fournie, LS}} - P_{\text{utile}} \\ &= 15.6 \, \text{kW} - 14 \, \text{kW} = 1.6 \, \text{kW} \end{aligned} \]
Résultat Question 5 : En mode Load Sensing, la puissance perdue est de 1.6 kW.

Question 6 : Comparaison et Conclusion

Analyse des résultats :

Le circuit standard gaspille 2.0 kW en chaleur, tandis que le circuit Load Sensing n'en gaspille que 1.6 kW.

\[ \text{Gain Énergétique} = 2.0 - 1.6 = 0.4 \, \text{kW} \]
Conclusion :

Le système Load Sensing permet d'économiser 0.4 kW, soit une réduction des pertes de 20% par rapport au circuit standard pour cette condition de fonctionnement. L'économie est encore plus importante lorsque la charge est faible ou nulle, car la pompe LS réduit alors sa pression au minimum (pression de stand-by), alors que la pompe standard continue de fonctionner à la pression maximale du limiteur. Le LS est donc particulièrement avantageux pour les applications à charge variable, typiques des engins mobiles.

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. L'avantage principal d'un circuit Load Sensing est :

2. La "marge LS" (\(\Delta P_{LS}\)) représente :

3. Que se passe-t-il dans un circuit LS lorsque l'opérateur ne commande aucun mouvement ?

Glossaire

Load Sensing (Détection de Charge)
Technologie de circuit hydraulique où la pompe à cylindrée variable ajuste sa pression et son débit pour correspondre précisément aux besoins de la charge, plus une petite marge de pression.
Pompe à Cylindrée Variable
Pompe dont le volume de fluide déplacé par tour (\(D_p\)) peut être modifié, généralement via un régulateur (ou compensateur), pour faire varier le débit de sortie.
Marge LS (\(\Delta P_{LS}\))
Également appelée pression de stand-by. C'est la différence de pression entre la sortie de la pompe et la pression de la charge, que le régulateur de la pompe s'efforce de maintenir constante.
Distributeur à Centre Fermé
Type de distributeur où, en position neutre, tous les orifices (P, T, A, B) sont bloqués. C'est un prérequis pour les systèmes Load Sensing.
Oléohydraulique - Exercice d'Application

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