Les limiteurs de débit (Orifice) – Partie I

Les limiteurs de débit hydraulique

Le limiteur de débit hydraulique consiste à contrôler le volume du flux d’huile dans ou hors d’un circuit. Contrôle de débit dans un circuit hydraulique peut être accompli de plusieurs façons. Quand un orifice est installé, il présente une plus grande restriction au débit de normal de la pompe. La plus grande restriction augmente la pression d’huile.

L’augmentation de la pression d’huile fait dévier une partie d’huile dans un autre chemin. Le chemin peut être un autre circuit ou une soupape de sécurité. En outre, cette leçon expliquera les limiteurs de débit à pression non compensés et les limiteurs de débit à pression compensés.

Qu’est-ce que l’orifice ?

Un orifice est une petite ouverture dans le passage d’écoulement d’huile. L’écoulement à travers un orifice est affecté par plusieurs facteurs. Trois des plus courants sont: la température de l’huile, la taille de l’orifice, le différentiel de pression à travers l’orifice.

La température : 

La viscosité d’huile change en fonction des changements de la température. La viscosité est la mesure de la résistance à écoulement de l’huile à une température spécifique. L’huile hydraulique devient plus fluide et coule plus aisément lorsque la température augmente.

Taille d’orifice : 

La taille de l’orifice contrôle la vitesse d’écoulement. Un exemple courant est un trou dans un tuyau d’arrosage. L’eau à travers un petit trou d’épingle fuira sous la forme d’une goutte ou d’une pulvérisation fine. L’eau à travers un plus grand trou s’échappera sous la forme d’un courant. Le trou, petit ou grand, mesure un écoulement d’eau à l’extérieur du tuyau. La quantité d’eau dosée dépend de la taille du trou, qui peut être fixe ou variable.

Clapet anti-retour avec un orifice fixe : 

 

La dernière figure montre un exemple d’un clapet anti-retour avec un orifice fixe qui est utilisé généralement dans le matériel de construction. L’orifice fixe est un trou à travers le centre du clapet anti-retour.

Lorsque le débit d’huile est dans le sens normale, la valve ouvre et permet à l’huile de passer autour de la valve aussi bien qu’à travers l’orifice. Quand l’huile essaye d’entrer dans le sens inverse, la valve se ferme. Tout le débit d’huile inverse doit traverser l’orifice qui commande le débit.  

 Orifice variable (robinet à pointeau) :

 

 

La dernière figure montre un orifice variable sous forme de robinet à pointeau. Dans le robinet à pointeau, la taille de l’orifice est variée par le positionnement de la pointe de valve par rapport au siège. L’huile traversant le robinet à pointeau doit faire un tour de 90° et passer entre la pointe de valve et le siège.

Lorsque la tige de la valve est tournée dans le sens antihoraire, l’orifice devient plus grand et le flux à travers la valve augmente. Lorsque la tige de la valve est tournée dans le sens horaire, il se rétrécit et le débit diminue à travers la valve. Le schéma sur les dernières figures se composent d’une pompe à cylindré positif (volumétrique), d’une soupape de sécurité, et d’un orifice variable. La soupape de sécurité est réglée à 3445kPa (500 psi). L’orifice peut être ajusté sur n’importe quel débit entre zéro et 5 gal/mn.

 

Sur la dernière figure, l’orifice variable permet un débit de 4 gal/mn à travers l’orifice à une pression de 3445 kPa (500 psi). Toute augmentation de débit à travers le trou exige une plus grande pression que 3445 kPa (500 psi). Quand la pression dépasse 3445 kPa (500 psi), la soupape de sécurité s’ouvre et l’excédent d’huile (1 gal/mn) passe à travers la soupape de sécurité vers le réservoir.

NOTE POUR INSTRUCTEUR: Cette explication suppose une soupape de décharge parfaite qui n’augmente pas la pression tant que l’écoulement à travers la soupape de décharge augmente. Il peut s’avérer nécessaire de montrer des pressions un peu plus élevé au fur et à mesure que le débit à travers la soupape de décharge augmente afin de clarifier cette explication.

Sur la dernière figure, l’orifice variable permet un débit 1 gal/mn à travers l’orifice à une pression de 3445 kPa (500 psi). Toute augmentation de débit à travers l’orifice exige une plus grande pression que 3445 kPa (500 psi). Quand la pression dépasse 3445 kPa (500 psi), la soupape de sécurité s’ouvre et l’excédent d’huile (4 gal/mn) passe à travers la soupape de sécurité.

  Pression différentielle : 

 

L’écoulement à travers un orifice est affecté par le différentiel de pression à travers l’orifice. Plus le différentiel de pression à travers l’orifice est grand, plus le débit à travers l’orifice augmente. Sur la dernière figure, la différence de pression est illustrée à l’aide des deux tubes de dentifrice.

Lorsque le tube de dentifrice est légèrement pressé comme en A, la différence de pression entre l’intérieur du tube et l’extérieur du tube est faible. Par conséquent, seulement une petite quantité de dentifrice est chassé.

Lorsque le tube est pressé avec une force plus grande que comme en B, la différence de pression entre l’intérieur du tube et l’extérieur du tube augmente et une quantité plus importante de la pâte dentifrice est expulsée.

  Limiteur de débit hydraulique à pression Non-Compensé : 

 

Le schéma sur la dernière figure est composé d’une pompe à cylindré positif, d’une soupape de sécurité, d’un vérin, d’un limiteur de débit à pression non-compensé, de deux indicateurs de pression (manomètres), et d’un distributeur trois positions, quatre voies, centre à tandem-, à commande manuelle (levier).

Le limiteur de débit hydraulique à pression non-compensé se compose d’un orifice variable et d’un clapet anti retour. Lorsque le débit d’huile passe dans côté fond du vérin, clapet anti-retour reste maintenu sur son siège. L’orifice variable limite (contrôle) l’huile dans le côté fond. Lorsque l’huile sort du côté fond du vérin, le clapet anti-retour s’ouvre, l’huile suit le chemin de moindre résistance et passe sans restriction à travers le clapet anti-retour.

Dans un circuit de limiteur de débit à pression non-compensé, tout changement de pression différentielle à travers l’orifice produira un changement correspondant du débit à travers l’orifice. La soupape de sécurité est réglée à 3445kPa (500 psi). L’orifice est ajusté sur un débit de 5 gal/mn à 3445kPa (500 psi) sans la charge sur le vérin. La pression différentielle à travers l’orifice est de 3445kPa (500 psi). L’huile totale de pompe traverse l’orifice vers le vérin.

Augmentation de charge : 

 

Sur le schéma de la dernière figure, la charge du vérin a augmenté. La pression de vérin exigée pour vaincre la résistance de la charge est de 1378 kPa (200psi). Les 1378 kPa (200psi) sont soustraites des 3445 kPa (500 psi) disponible en amont de l’orifice. Ceci réduit la pression différentielle à travers l’orifice de 2067 kPa (300psi). Les 2067 kPa (300psi) provoquent une diminution du débit à travers l’orifice de 3 gal/mn.

Toute tentative d’augmentation du débit à travers l’orifice causera une augmentation de la pression du système au-dessus du  réglage maximum 3445 kPa (500 psi) de la soupape de sécurité. Le reste des 2 gal/mn provoquent l’augmentation de la pression du système au-dessus de 3445 kPa (500 psi). La soupape de sécurité s’ouvre et le débit de 2 gal/mn passe à travers la soupape de sécurité au réservoir. Une diminution du débit à travers l’orifice cause une diminution correspondante de la vitesse du vérin.

  Diminution de charge : 

Sur le schéma de la dernière figure, la charge du vérin a diminué. La pression exigée pour surmonter la résistance de la charge diminue à 689 kPa (100 psi). Les 689 kPa (100 psi) sont soustraites des 3445 kPa (500 psi) disponibles en amont de l’orifice. La nouvelle pression différentielle à travers l’orifice est de 2756kPa (400 psi). Les 2756kPa (400 psi) font augmenter le débit à travers l’orifice jusqu’à atteindre 15.1 LPM (4 gal/mn).

Toute tentative d’augmentation de débit à travers l’orifice au-dessus de 15.1 LPM (4 gal/mn) provoquera l’augmentation de la pression du système au-dessus du réglage maximum 3445 kPa (500 psi) de la soupape de sécurité. Les 3.8 LPM (1 gal/mn) restant provoquent l’augmentation de la pression du système au-dessus de 3445 kPa (500 psi). La soupape de sécurité s’ouvre et les 3.8 LPM (1 gal/mn) coulent à travers la soupape de sécurité au réservoir.

Une augmentation du débit cause une augmentation correspondante de la vitesse du vérin. Sur les schémas 3.6.7 et 3.6.8, l’augmentation de la pression de la soupape de sécurité réglant à 4823 kPa (700 psi) permet à la pompe d’envoyer un débit maximum de 18.9 LPM (5 gal/mn) à travers l’orifice tant que la pression de charge de vérin est inférieure à 1378kPa (200 psi). La pression différentielle à travers l’orifice est limitée par la sortie de la pompe. Par conséquent, la vitesse du vérin restera constante tant que la pression varie entre 1 378 kPa (200 psi) et 689 kPa (100 psi).

Le circuit de limiteur de débit hydraulique à pression compensée 

Dans un circuit de limiteur de débit hydraulique à pression compensé, la pression différentielle à travers l’orifice n’est pas affectée par un changement de la charge. La pression différentielle constante à travers l’orifice produira un débit constant à travers l’orifice.

Limiteur de débit à pression compensée de type avec By-pass :

 

 La dernière figure montre une illustration d’un Limiteur de débit à pression compensée de type avec By-pass. Ce type de Limiteur de débit compense automatiquement les variations du débit et de la charge.

Changement de débit :

 La quantité du débit traversant la valve dépend de la taille de l’orifice. Tout changement du débit d’huile à travers l’orifice crée une variation de pression en amont de l’orifice. La même variation de pression agit contre la soupape de décharge et le ressort.

Lorsque le débit de la pompe est dans la marge du débit de conception de l’orifice, la force de la pression d’huile en amont agissant sur la soupape de décharge est inférieure à la force combinée de la pression d’huile en aval de l’orifice ainsi que celle de la tension ressort. La soupape de décharge reste fermée et la totalité de l’huile de la pompe s’écoule à travers l’orifice.

Lorsque le débit de la pompe est supérieur au débit nominal de l’orifice, la force de la pression d’huile en amont agissant sur la soupape de décharge est supérieure à la force combinée de la pression d’huile en aval de l’orifice ainsi que celle de la tension du ressort. La soupape de décharge s’ouvre et l’huile excédentaire s’écoule à travers la soupape de décharge vers le réservoir.

Aucune pression de charge :

 

La dernière figure montre un limiteur de débit hydraulique à pression compensée de type avec By-pass dans un circuit de levage simple. Lorsque le distributeur est déplacé à la position de levage (position en bas), l’huile de la pompe est dirigée vers le limiteur de débit.

Le limiteur de débit exige une pression différentielle de 1378kPa (300 psi) pour envoyer 3 gal/mn à travers l’orifice. Pour envoyer plus de 3 gal/mn à travers l’orifice, cela exige une augmentation de la pression différentielle. Une augmentation de la pression différentielle de plus de 1378kPa (300 psi) ouvrira la soupape de décharge. L’huile excédentaire passera à travers la soupape de décharge au réservoir.

  Augmentation de pression de charge :

 

Quand la pression de charge augmente, la pression augmente dans l’orifice et dans la chambre du ressort de la soupape de décharge. L’augmentation de la pression au niveau de l’orifice fait baisser la pression différentielle à travers celui-ci et tente de réduire le débit d’huile à travers l’orifice.

Cependant, en même temps, la pression a augmentée dans la chambre du ressort de la soupape de décharge. La pression additionnelle ferme la soupape de décharge et bloque l’écoulement d’huile au réservoir. L’huile emprisonnée provoque l’augmentation de la pression en amont de l’orifice du côté de la pompe.

La pression augmente jusqu’à ce que la pression différentielle à travers l’orifice atteigne 1378 kPa (300 psi). Une pression différentielle de 1378 kPa (300 psi) envoie 3 gal/mn à travers l’orifice et 2 gal/mn à travers la soupape de décharge. Ceci permet au limiteur de débit de répondre instantanément à toute augmentation ou diminution de la pression de charge.

Comment régler le débit hydraulique ?

Le limiteur de débit peut être réglé en fonction du débit maximal de la pompe à eau ou du moteur. La soupape de décharge peut être réglée pour une pression différentielle à travers l’orifice de 1378 kPa (300 psi).

Comment réduire la vitesse d’un vérin hydraulique ?

Le limiteur de débit peut être réglé pour réduire le débit de la pompe à eau en fonction du niveau de la pression différentielle à travers l’orifice. La soupape de décharge peut être réglée pour réduire le débit de la pompe à eau en fonction du niveau de la pression différentielle à travers l’orifice.

La pression différentielle à travers l’orifice est réglée en tournant le cadran de la soupape de décharge vers l’intérieur et vers l’extérieur. La vanne de régulation peut être réglée pour ajuster le débit de la pompe à eau en fonction du niveau de la pression différentielle à travers l’orifice.

Image source: Marco Nürnberger, Hydraulic System.