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Les images ci-dessus sont de simples coupes transversales d’une vanne à tiroir typique (à gauche) et d’une vanne à clapet (à droite) . (Avec l’aimable autorisation de Unicontrols Signapore)

Le choix de la vanne à utiliser pour un système hydraulique ou pneumatique dépend de plusieurs facteurs de conception: la conception interne de votre circuit et la fonction globale de vos vannes. Les deux principales vannes utilisées le plus souvent sont les variétés à clapet et à tiroir à piston. Ces vannes sont principalement impliquées dans le contrôle de l’air comprimé.

« La principale différence entre une bobine et une vanne à clapet réside dans sa construction », explique Daniella Gonzalez-Olgren, spécialiste des produits de vannes chez Festo. « Grâce à la construction d’une vanne à clapet, il n’y a pas besoin de lubrification, ce qui simplifie vos unités de préparation de l’air. Cependant, les vannes à tiroir ont généralement des débits plus élevés que les vannes à clapet dans le même encombrement. En effet, une vanne à clapet a besoin d’une grande surface de clapet pour créer une force de déplacement suffisamment importante pour surmonter la pression. »

Les deux vannes ont leurs avantages et leurs inconvénients, mais le facteur le plus important sera de comprendre vos conditions de fonctionnement.

Les vannes à clapet

Les vannes à clapet ont une construction simple et peuvent être utilisées avec n’importe quel matériau. La vanne fonctionne comme le fluide à l’orifice d’entrée passe par le bureau de commande et atteint l’arrière du clapet. La pointe de l’armature à ressort ferme l’orifice de sortie pour maintenir le fluide emprisonné derrière le clapet. La vanne est un clapet anti-retour qui arrête le débit, dans des conditions normales, de l’entrée à la sortie. L’écoulement dans la direction opposée, sortie à entrée, se produit à un débit réduit.

La bobine du solénoïde est sous tension pour créer un champ magnétique qui soulève l’armature pour ouvrir l’orifice de sortie. Cet orifice est plus grand que l’orifice de commande, ce qui crée un débit plus important et une chute de pression derrière le clapet. La pression d’entrée sur la zone annulaire du clapet à l’extérieur du diamètre du siège l’évince pour laisser le fluide s’écouler vers la sortie du clapet.

Lorsque la bobine du solénoïde est hors tension, la force du ressort reseats la pointe de l’armature – emprisonnant à nouveau le fluide derrière le clapet et lui permettant de se fermer. Les vannes à clapet sont généralement préférées dans les applications de tri, les environnements industriels avec une contamination possible et toutes les applications nécessitant des temps de commutation rapides.

Avantages

Contrairement aux vannes à tiroir, les vannes à clapet ouvrent un chemin d’écoulement immédiat vers la sortie. Il en résulte un temps de réponse rapide. Les vannes à clapet ne s’ouvrent que dans la mesure nécessaire au flux qui le traverse, parcourant une distance minimale pour le faire, ce qui augmente son temps de réponse. La grande surface essentielle pour les coquelicots se traduit par un débit plus élevé. Les vannes à clapet nécessitent de petites courses d’actionnement, ce qui permet des temps de commutation plus courts.

Le fait que les coquelicots puissent être utilisés avec n’importe quel matériau les rend également très peu coûteux et faciles à utiliser. D’autres avantages des vannes à clapet sont que l’étanchéité axiale utilisée résiste aux salissures et ne nécessite pas de lubrification. Cela les rend chimiquement compatibles avec l’air comprimé lubrifié. Les coquelicots sont également bénéfiques en matière de longévité, car moins d’usure des joints internes entraîne une durée de vie du produit plus longue.

Inconvénients

En raison des contraintes de construction, les vannes à clapet ne sont pas avantageuses en ce qui concerne la relation entre l’espace et l’écoulement. L’inconvénient des vannes à clapet est que, lorsque les clapets passent d’un trajet d’écoulement à un autre, l’air est libre de circuler dans n’importe quelle direction. Ceci est connu sous le nom de « crossover. »Avec les modèles indépendants de la pression, les vannes à clapet offrent un débit inférieur à celui des vannes à tiroir.

Ceci est dû à la plus grande demande structurelle — dans les vannes dépendantes de la pression, la pression de commande dépend de la pression de fonctionnement. Les vannes sont déséquilibrées et une pression doit être fournie sous le clapet pour maintenir la vanne en position non actionnée. Pour permettre la circulation de l’air, une force plus élevée est nécessaire pour actionner les vannes car elle doit surmonter le ressort et la pression d’air. Il est également possible que la vanne s’ouvre en raison d’une contre-pression si la pression d’alimentation est supprimée. Cela fait d’eux de mauvais choix pour maintenir la pression en aval.

Les vannes à clapet fonctionnent généralement d’une seule manière. Par exemple, une vanne à clapet à deux voies normalement fermée ne peut pas être changée pour s’ouvrir. Les coquelicots ne sont généralement pas recommandés pour les conditions de vide. Enfin, la construction de la vanne n’est pas toujours sans chevauchement. Selon la conception de la vanne à clapet, la commutation des positions peut entraîner un débordement entre les canaux. Cela peut provoquer des fuites et du bruit inutiles.

Ce tableau présente les différentes technologies de vannes et les types de joints disponibles pour les vannes à clapet et les vannes à tiroir. (Avec l’aimable autorisation de Festo)

Vannes à tiroir à piston

Une vanne à tiroir comporte des joints le long de sa surface. En actionnant la vanne, le tiroir se déplace, provoquant le déplacement des joints dans l’alésage et l’ouverture des orifices pour permettre le flux d’air. Pour les systèmes qui ont un débit de 100 gpm ou moins, les vannes à tiroir sont le plus couramment utilisées pour diriger le débit. En comptant le nombre d’orifices que le fluide peut parcourir dans une vanne donnée, vous obtenez son nombre de voies.

Par exemple, une vanne à deux ports est également une vanne à deux voies. La vanne à deux voies n’aura que deux positions, car elle ne peut qu’arrêter ou autoriser l’écoulement. Les autres configurations de vanne à tiroir sont à trois voies, à quatre voies et à cinq voies. Les soupapes à cinq voies sont des cas particuliers dans le fait qu’un orifice d’échappement n’est pas un problème.

Une vanne à quatre voies peut avoir cinq orifices avec ses orifices de réservoir connectés à l’intérieur afin d’éliminer un orifice supplémentaire dans le corps. Cette configuration est importante à des fins hydrauliques car elle aide à réduire les points de fuite et la tuyauterie. Les vannes à tiroir sont généralement préférées dans les machines légères ou l’outillage de robot en bout de bras; environnements de travail propres; et en particulier les installations d’armoires ou chaque fois qu’il y a des contraintes d’espace.

Les valeurs de bobine peuvent adopter l’un des deux types de systèmes d’étanchéité: l’étanchéité dure ou douce. Les systèmes d’étanchéité dure sont plus durables. L’absence d’éléments d’étanchéité en caoutchouc souple dans le tiroir du piston est ce qui les rend plus durables. Une vanne utilisant ce type de joint est immédiatement prête pour une utilisation dynamique complète, qu’elle soit inactive ou non pendant une longue période. Cependant, cela rend les joints durs plus exigeants.

Le défi est que l’entrefer entourant le piston mobile ne peut pas dépasser quelques micromètres. Le manchon métallique souvent utilisé sert à la fois de joint et de guide pour le tiroir de soupape. Le manchon et la bobine doivent être fabriqués dans le même matériau, car une différence de coefficients de dilatation thermique peut entraîner une plus grande fuite et même un coincement de la bobine.

Même une petite déformation dans le boîtier peut endommager le manchon et affecter la soupape de vie et augmenter les fuites. Tout en étant robustes et durables, les vannes à tiroir scellées auront toujours une certaine quantité de fuites dues à l’entrefer, et leur capacité de débit est inférieure à celle d’autres vannes de dimensions similaires.

Dans une vanne à clapet, la pression de commande dépend de la pression de fonctionnement. Cela est dû au flux d’air. Dans la vanne à clapet dépendante de la pression ci-dessus, l’air circule à travers la vanne du canal 1 au canal 2. La surface D2 étant supérieure à D1, un déséquilibre des forces se produit car la même pression de fonctionnement s’exerce sur les deux surfaces. Cela doit être compensé pour maintenir un équilibre dans la vanne. (Avec l’aimable autorisation de Festo)

Les vannes à tiroir à étanchéité souple utilisent des joints en caoutchouc (joints toriques ou joints en élastomère moulé) sur le piston. En utilisant des vannes à tiroir scellées en douceur, vous évitez les complications liées aux configurations métal sur métal. Cependant, les vannes à tiroir scellées en douceur s’usent rapidement au fil du temps lorsqu’elles sont en contact avec le bord du canal ou le bord de contrôle. Une planification optimale du bord de commande est nécessaire, et une attention particulière doit être accordée au joint d’étanchéité en élastomère moulé et au guidage du piston, afin d’assurer un passage doux avec un degré d’usure minimal.

Les joints peuvent être montés directement sur le boîtier de la vanne. Encore une fois, les évidements requis sont difficiles à fabriquer, et l’effet Bernoulli provoquera le délogement des joints à une pression de 8 bars ou plus. Cela crée une plus grande usure du joint.

Pour résoudre ce problème, on peut utiliser des joints moulés dans des cages métalliques, donc les maintenir dans les évidements. C’est ce qu’on appelle le principal de la cartouche. L’avantage est que la vanne ne sera pas retirée de sa position même à des pressions de fonctionnement élevées. Les joints pourraient se maintenir dans les cages métalliques avec des pressions allant jusqu’à 16 bars. Ce type de configuration aura une longue durée de vie de la vanne et le joint peut être utilisé dans les opérations de vide.

Avantages

Le principal avantage des vannes à tiroir est que le mouvement du tiroir n’est pas affecté par l’entrée de fluide dans la vanne à aucun orifice de travail. La pression est toujours appliquée sur deux zones opposées égales. En conséquence, la pression ne peut pas déplacer la bobine car elle est annulée. Les distributeurs à tiroir peuvent se déplacer manuellement, électriquement, mécaniquement, pneumatiquement ou hydrauliquement avec la même force, indépendamment de la pression de fonctionnement à l’intérieur de la vanne.

Les solénoïdes à faible force peuvent être utilisés en conjonction avec des distributeurs à tiroir, en raison de leur facilité de mouvement via des frottements mécaniques et des ressorts légers. Comme mentionné précédemment, les vannes à tiroir peuvent être utilisées dans les opérations de vide. Ils peuvent également être utilisés en haute et basse pression comme vannes de sélection. De plus, ils peuvent être utilisés pour verrouiller la pression en aval.

Inconvénients

Les raccords coulissants métal sur métal peuvent entraîner un contournement du joint par le fluide, ce qui, comme mentionné précédemment, entraîne des fuites. L’actionneur perdra sa position si une force extérieure est appliquée. Cela crée des inefficacités sous forme de gaspillage d’énergie et de chaleur. Pour aider à réduire la dérivation, les vannes à tiroir ont généralement un chevauchement de terrain, mais cela entraîne un retard avant l’écoulement du fluide. Le retard est faible — quelques millisecondes seulement – mais peut poser problème si les cycles sont très rapides et / ou s’il y a plusieurs changements de soupape par cycle.

Une temporisation se produit également si la bobine revient à la fin de sa course. Le tiroir se déplace plus qu’il n’en a besoin pour le débit requis. En conséquence, il faut plus de temps pour revenir au centre ou au chemin d’écoulement opposé. Lorsque plusieurs vannes sont impliquées, cela ralentit considérablement le temps de cycle.

L’utilisation de limiteurs de course permet d’éliminer le retard, mais l’approche la plus courante consiste à augmenter la taille de la pompe. Même si vous obtenez un apport d’énergie plus élevé et un mouvement de l’actionneur plus rapide en installant une pompe plus grande, cela peut ajouter des chocs et de la chaleur au système. Un autre inconvénient des distributeurs à tiroir est que le croisement ouvert se produit lorsque tous les orifices sont momentanément ouverts pour s’écouler pendant l’actionnement.

Comment choisir la bonne vanne pour le travail

Le tableau ci-joint est une aide à la sélection de la vanne. Les vannes à tiroir et à clapet présentent des avantages et des inconvénients, mais celle qui convient le mieux à votre application dépendra de vos conditions de fonctionnement. Il faut considérer, par exemple, si de faibles valeurs de fuite et un fonctionnement à double pression avec vide et impulsion d’éjection sont vos priorités de conception. Ou si vous êtes plus préoccupé par les pressions de fonctionnement élevées, certaines fuites peuvent être autorisées. Une meilleure compréhension de vos conditions de fonctionnement vous aidera à choisir la bonne vanne pour le travail.

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