ÉTUDE HYDRAULIQUE

Conception d’un Circuit de Presse

Conception d'un Circuit de Presse avec Rapprochement Rapide

Conception d'un Circuit de Presse avec Rapprochement Rapide

L'Efficacité Énergétique en Oléohydraulique

De nombreuses applications, comme les presses, nécessitent un cycle de travail en deux temps : une phase d'approche rapide à vide ou à faible charge, suivie d'une phase de travail lente à très haute pression. Utiliser une seule pompe dimensionnée pour la haute pression serait très inefficace, car elle fournirait un débit faible pendant toute la durée du cycle. Une pompe dimensionnée pour la vitesse rapide consommerait une puissance énorme et inutile pendant la phase de travail. La solution élégante est le circuit "Hi-Lo" (Haute/Basse pression), qui combine deux pompes pour optimiser la consommation d'énergie et la vitesse du cycle.

Remarque Pédagogique : Cet exercice illustre l'un des principes les plus importants de la conception de systèmes hydrauliques : l'adaptation de la puissance fournie au besoin réel. Le circuit Hi-Lo est un exemple classique d'ingénierie où une complexité légèrement accrue (deux pompes, une valve supplémentaire) permet des gains significatifs en efficacité énergétique et en productivité.

Données de l'étude

On doit concevoir le circuit d'une presse hydraulique pour emboutir des pièces métalliques. Le cycle de travail est le suivant :

  • Phase 1 : Rapprochement rapide. Le vérin descend rapidement à vide.
  • Phase 2 : Travail. Le vérin entre en contact avec la pièce et applique une force élevée pour la former.

Cahier des charges et caractéristiques :

  • Force de pressage maximale (\(F_{\text{max}}\)) : \(500 \, \text{kN}\)
  • Vitesse de rapprochement rapide (\(v_{\text{rapide}}\)) : \(0.15 \, \text{m/s}\)
  • Vitesse de travail (\(v_{\text{travail}}\)) : \(0.01 \, \text{m/s}\)
  • Pression maximale du système (\(P_{\text{max}}\)) : \(210 \, \text{bar}\)
  • Pression de rapprochement (pertes de charge, etc.) : \(20 \, \text{bar}\)
  • Vérin : Diamètre piston \(D = 180 \, \text{mm}\), Diamètre tige \(d = 100 \, \text{mm}\)
  • Rendement global des pompes (\(\eta\)) : \(0.85\)
Schéma du Circuit de Presse "Hi-Lo"
P1 (Gros Débit) P2 (Haute Pression) Valve de décharge Clapet Anti-Retour Distributeur Vérin Réservoir

Questions à traiter

  1. Calculer la section (aire) du piston côté grande chambre (\(A_{\text{piston}}\)) et la pression de travail réelle (\(P_{\text{travail}}\)) nécessaire pour atteindre la force maximale.
  2. Calculer le débit total nécessaire pour la phase de rapprochement rapide (\(Q_{\text{rapide}}\)) et le débit pour la phase de travail (\(Q_{\text{travail}}\)).
  3. En déduire les débits respectifs de la pompe basse pression/grand débit (\(Q_{P1}\)) et de la pompe haute pression/petit débit (\(Q_{P2}\)).
  4. Calculer la puissance absorbée par le moteur électrique (\(P_{\text{elec}}\)) pour chaque phase (rapprochement et travail).
  5. Déterminer la pression de tarage de la valve de décharge pour qu'elle s'ouvre à la fin de la phase de rapprochement.

Correction : Conception d'un Circuit de Presse

Question 1 : Section du Vérin et Pression de Travail

Principe :

La première étape est de vérifier si le vérin est correctement dimensionné. On calcule sa section puis on utilise la formule fondamentale \(F = P \times A\) pour déterminer la pression réellement nécessaire pour atteindre la force de 500 kN. Cette pression doit être inférieure à la pression maximale du système.

Remarque Pédagogique : On vérifie toujours en premier lieu la cohérence entre la force souhaitée, les dimensions de l'actionneur et la pression maximale admissible. Si la pression calculée était supérieure à 210 bar, il faudrait soit choisir un vérin avec un piston plus grand, soit augmenter la pression maximale du système (ce qui impacterait tous les composants).

Formule(s) utilisée(s) :
\[ A_{\text{piston}} = \frac{\pi \cdot D^2}{4} \]
\[ P_{\text{travail}} = \frac{F_{\text{max}}}{A_{\text{piston}}} \]
Calcul :
\[ \begin{aligned} A_{\text{piston}} &= \frac{\pi \cdot (0.180 \, \text{m})^2}{4} \\ &\approx 0.0254 \, \text{m}^2 \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} P_{\text{travail}} &= \frac{500 \times 10^3 \, \text{N}}{0.0254 \, \text{m}^2} \\ &\approx 19685039 \, \text{Pa} \\ &\approx 196.9 \, \text{bar} \end{aligned} \]
Résultat : La section est de \(0.0254 \, \text{m}^2\) et la pression de travail requise est de \(197 \, \text{bar}\), ce qui est inférieur aux \(210 \, \text{bar}\) maximum. Le vérin est donc adapté.

Question 2 : Calcul des Débits

Principe :

Le débit (\(Q\)) est le produit de la vitesse (\(v\)) et de la section (\(A\)) sur laquelle la pression s'applique. Nous devons calculer ce débit pour les deux phases du cycle en utilisant les vitesses correspondantes.

Remarque Pédagogique : La conversion des unités est la source d'erreur la plus fréquente. Ici, on passe des \(\text{m}^3/\text{s}\) (unité SI cohérente pour les calculs) aux Litres par minute (\(\text{L/min}\)), qui est l'unité standard utilisée pour spécifier les pompes et les composants hydrauliques.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ Q = v \times A_{\text{piston}} \]
Calcul :
\[ \begin{aligned} Q_{\text{rapide}} &= v_{\text{rapide}} \times A_{\text{piston}} \\ &= 0.15 \, \text{m/s} \times 0.0254 \, \text{m}^2 \\ &\approx 0.00381 \, \text{m}^3/\text{s} \\ &\approx 228.6 \, \text{L/min} \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} Q_{\text{travail}} &= v_{\text{travail}} \times A_{\text{piston}} \\ &= 0.01 \, \text{m/s} \times 0.0254 \, \text{m}^2 \\ &\approx 0.000254 \, \text{m}^3/\text{s} \\ &\approx 15.2 \, \text{L/min} \end{aligned} \]
Résultats : Le débit total pour la phase rapide est de \(229 \, \text{L/min}\) et le débit pour la phase de travail est de \(15 \, \text{L/min}\).

Question 3 : Sélection des Pompes

Principe :

Dans un circuit Hi-Lo, la pompe haute pression (\(P_2\)) est dimensionnée pour la phase de travail. La pompe basse pression (\(P_1\)) fournit le débit *complémentaire* nécessaire pour atteindre la vitesse rapide. Leurs débits s'additionnent lors de la phase de rapprochement.

Remarque Pédagogique : C'est la logique clé du circuit. \(P_2\) tourne tout le temps, fournissant son petit débit. \(P_1\) fournit un grand débit qui n'est utilisé que lorsque la pression est faible. Dès que la pression monte, \(P_1\) est "déchargée" vers le réservoir, et seule \(P_2\) continue de travailler contre la haute pression.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ Q_{P2} = Q_{\text{travail}} \]
\[ Q_{P1} = Q_{\text{rapide}} - Q_{P2} \]
Calcul :
\[ \begin{aligned} Q_{P2} &= Q_{\text{travail}} \\ &\approx 15.2 \, \text{L/min} \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} Q_{P1} &= Q_{\text{rapide}} - Q_{P2} \\ &= 228.6 - 15.2 \\ &= 213.4 \, \text{L/min} \end{aligned} \]
Résultats : On choisira une pompe \(P_1\) d'environ \(213 \, \text{L/min}\) et une pompe \(P_2\) d'environ \(15 \, \text{L/min}\).

Question 4 : Calcul de la Puissance

Principe :

La puissance électrique absorbée est calculée pour chaque phase en utilisant la formule de puissance hydraulique, en tenant compte du rendement. Il faut bien utiliser les pressions et débits correspondants à chaque phase.

Remarque Pédagogique : Comparez la puissance de travail (\(5.9 \, \text{kW}\)) avec la puissance qu'il aurait fallu si on avait utilisé une seule grosse pompe de 229 L/min à 197 bar : la puissance aurait été de \( (229 \times 197) / (600 \times 0.85) \approx 88.5 \text{kW} \)! Le gain énergétique du circuit Hi-Lo est donc spectaculaire.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ P_{\text{elec}} = \frac{Q_{\text{L/min}} \times P_{\text{bar}}}{600 \times \eta} \]
Calcul :

Phase de rapprochement :

\[ \begin{aligned} P_{\text{elec, rapide}} &= \frac{Q_{\text{rapide}} \times P_{\text{rapide}}}{600 \times \eta} \\ &= \frac{228.6 \times 20}{600 \times 0.85} \\ &\approx 8.96 \, \text{kW} \end{aligned} \]

Phase de travail :

\[ \begin{aligned} P_{\text{elec, travail}} &= \frac{Q_{\text{travail}} \times P_{\text{travail}}}{600 \times \eta} \\ &= \frac{15.2 \times 196.9}{600 \times 0.85} \\ &\approx 5.86 \, \text{kW} \end{aligned} \]
Résultats : La puissance absorbée est de \(9.0 \, \text{kW}\) en phase rapide et de \(5.9 \, \text{kW}\) en phase de travail. Le moteur électrique devra être dimensionné pour la puissance la plus élevée, soit \(9.0 \, \text{kW}\).

Question 5 : Tarage de la Valve de Décharge

Principe :

La valve de décharge (unloading valve) doit basculer et renvoyer le débit de la pompe P1 au réservoir dès que la phase de rapprochement rapide se termine, c'est-à-dire dès que le vérin rencontre la pièce et que la pression commence à monter au-delà de la pression à vide.

Remarque Pédagogique : Le tarage de cette valve est un réglage critique. Si elle est tarée trop bas, elle s'ouvrira prématurément, ralentissant la fin de la course d'approche. Si elle est tarée trop haut, le moteur subira un pic de puissance inutile au moment de l'impact, car il devra pendant un court instant fournir la puissance pour les deux pompes à une pression qui commence à grimper.

Détermination et Calcul :

La pression durant la phase de rapprochement est de \(20 \, \text{bar}\). La pression de travail est de \(197 \, \text{bar}\). La valve doit donc être réglée pour s'ouvrir à une pression légèrement supérieure à celle de la phase à vide, pour assurer une transition franche. Un bon réglage serait d'environ 10 à 15% au-dessus de la pression de rapprochement.

\[ P_{\text{tarage}} = P_{\text{rapide}} \times 1.15 = 20 \times 1.15 = 23 \, \text{bar} \]
Résultat : Un tarage de la valve de décharge entre \(23\) et \(25 \, \text{bar}\) est un choix judicieux.

Simulation de Puissance

Ajustez la force de travail pour voir son impact sur la pression et la puissance requise en phase de travail.

Paramètres de Simulation
Résultats en Temps Réel
Pression de Travail Requise
Puissance Moteur (Travail)
Puissance Moteur (Rapide)
Puissance Totale Moteur :

Foire Aux Questions (FAQ)

Quel est le rôle exact du clapet anti-retour ?

Lorsque la pression monte pendant la phase de travail, la pompe P1 est déchargée vers le réservoir. Sans le clapet anti-retour, l'huile à haute pression provenant de la pompe P2 refluerait dans le circuit de P1 au lieu d'aller vers le vérin. Le clapet agit comme une porte à sens unique, isolant le circuit basse pression du circuit haute pression.

Pourquoi ne pas utiliser une seule grosse pompe à cylindrée variable ?

C'est une autre solution viable mais souvent plus coûteuse. Une pompe à cylindrée variable peut fournir un grand débit à basse pression, puis réduire son débit (sa cylindrée) pour fournir une haute pression. Le choix entre un circuit Hi-Lo (deux pompes fixes) et une pompe à cylindrée variable est un arbitrage entre le coût initial, la complexité, le rendement et la réactivité souhaitée.

Que se passe-t-il si la pompe P2 tombe en panne ?

Si la pompe P2 (haute pression) tombe en panne, le vérin pourra toujours effectuer sa course de rapprochement rapide grâce à la pompe P1. Cependant, lorsque le vérin rencontrera la pièce, la pression ne pourra pas monter au-delà du tarage de la valve de décharge (ex: 23 bar). La presse n'aura donc aucune force de travail.

Quiz Rapide : Testez vos connaissances

1. Dans un circuit Hi-Lo, pendant la phase de travail à haute pression :

2. La valve de décharge est pilotée par :

3. Le principal avantage d'un circuit Hi-Lo est :

Glossaire

Circuit "Hi-Lo"
Circuit hydraulique utilisant deux pompes (une à grand débit/basse pression, une à petit débit/haute pression) pour optimiser la vitesse et la consommation d'énergie d'un cycle à deux phases (rapide/force).
Valve de Décharge (Unloading Valve)
Valve qui, à une pression de tarage donnée, dévie le débit d'une pompe directement vers le réservoir à très basse pression, "déchargeant" ainsi la pompe pour économiser de l'énergie.
Clapet Anti-Retour (Check Valve)
Composant qui ne permet au fluide de circuler que dans une seule direction. Il est utilisé ici pour isoler le circuit haute pression du circuit basse pression.
Rendement
Rapport entre la puissance fournie (hydraulique) et la puissance absorbée (électrique). Il quantifie les pertes d'énergie (chaleur, frottements) dans un composant.
Conception d'un Circuit de Presse - Exercice d'Application

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