Etanchéité d'un vérin hydraulique haute fréquence petite amplitude.

[Varand]

Bonjour,

Je suis actuellement en stage et je dois désigner un vérin hydraulique. Le problème que je rencontre se situe au niveau de l'étanchéité du vérin.

En effet, le vérin doit fonctionner à 50 Hz sur une course totale de 4 mm. Ces exigences rendent inutilisable les joints en élastomères (ils s'useraient trop rapidement car au vue de la course, la lubrification et son refroidissement serait trop faible).

J'ai donc pensé à utiliser des segments de pistons, et je recherche actuellement des informations concernant les taux de fuite de ce type de joint qui sont utilisés dans des moteurs (information non trouvés à ce jours).

Je sollicite donc votre aide, que se soit pour obtenir cette information et obtenir votre avis concernant ce projet.
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[lafuite73]

Bonjour,
Une solution consiste à faire le piston en bronze (ou bague bronze rapportée) et mettre une bague bronze pour le guidage de tige. Un revetement cupro alu peut se faire aussi. Mettre un jeu faible pour avoir une fuite acceptable et des gorges d'équipression. Mettre un drain de tige, c'est à dire collecter la fuite de tige et la ramener sans pression au réservoir. Ensuite pour l'étanchéité avec l'extérieur mettre un simple joint spi. Il existe aussi le Metseal pour le piston, vérifier avec le fournisseur si c'est adapté à l'utilisation. Pour les segments, je n'ai jamais pu trouver d'information très précises sur les fuites car cela dépend de vos états de surface, essayer d'avoir des infos chez le segment AB? La fuite dans un jeu est Q=196300*d*j^3*dP/(µ*v*l) avec Q=débit de fuite en l/mn - d=diamètre piston en mm - j=jeu diamétral en mm - dP= différence de pression en bar -µ = densité fluide 0.85 huile - v= viscosité en cSt - l= longueur du piston en mm. Si le piston est excentré au maxi par rapport à l'alésage la fuite est multipliée par 2.5. La vitesse longitudinal du piston par rapport au fût joue un peu sur la fuite, mais ça ne change en aucun cas l'ordre de grandeur de la fuite calculée. N' hésitez pas à vous rapprocher de fabricants de vérins industriels qui ont de l'expérience.
Cordialement

[Varand]

Merci lafuite pour cette réponse.

La première solution consiste donc à faire un vérin n'utilisant aucun joint d'étanchéité au niveau du piston, et se concentrer sur les surfaces de contacts en augmentant leur lubrification à l'aide de gorges d'équipression. Ce type de solution est-elle limité en termes d'effort que peut fournir le vérin (on souhaiterait pouvoir déplacer une charge d'environ 1 tonne)?

Concernant l'utilisation du joint SPI, si je ne me trompe pas il s'agit d'un joint racleur. Plusieurs questions le concernant:
- Un joint racleur peut-il assurer seul l'étanchéité entre la tige de piston et l'alésage (sachant que leur fonctions et d'éviter l'insertion d'impureté dans le liquide hydraulique)?
- Ne risque-t-il pas de s'user rapidement, ou le fait qu'il soit situé en sortie de tige lui permet d'obtenir une lubrification suffisante pour avoir une durée de vie acceptable?
- Si l'utilisation du joint SPI est mise en doute, l'utilisation de segment racleur est-elle envisageable bien qu'entrainant certainement une fuite plus importante à cause du jeu à la coupe?

Pour les segments effectivement les informations concernant les taux de fuites sont difficiles à obtenir, j'ai déjà contacté le segment AB, THN, et Ondulex sans résultat. Ils disent que le taux de fuite varie pour chaque application (c'est un peu frustrant, mais il s'agit aussi de pouvoir préserver leur savoir faire, car semble-il on ne prévoit pas un taux de fuite, mais on effectue des tests). De plus pour de l'hydraulique le segment est généralement couplé à un joint torique pour compléter l'étanchéité.
Je suppose d'ailleurs que la formule du débit de fuite n'est pas applicable aux segments vu que le jeu à la coupe n'y apparait pas.

Le Metseal est une solution que je ne connaissais pas, cette piste semble également intéressante, merci pour l'info. Je vais donc contacter des fabricants industriels de vérins, et me renseigner sur le Metseal.

Je vous remercie pour l'aide apporter, et cette rapidité de réponse!
Passez une bonne journée.

[mécano41]

Bonjour à tous,

... solution est-elle limité en termes d'effort que peut fournir le vérin (on souhaiterait pouvoir déplacer une charge d'environ 1 tonne)?
....

Ma remarque n'est pas une réponse à ta question mais, comme quelque chose me surprend, j'aimerais si possible une précision.

Tu parles au début d'un mouvement dont la course est de 4 mm avec une fréquence de 50 Hz. Ensuite, tu parles d'une charge d'environ 1 tonne à bouger...Si je considère le mouvement comme étant sinusoïdal, d'amplitude 4 mm, à cette fréquence on doit avoir une accélération autour de 200 m/s/s sauf erreur de ma part.

Si tu as bien voulu parler d'une masse d'une tonne à bouger, je te laisse calculer l'effort nécessaire ; si en revanche tu as voulu parler d'une charge, donc d'un effort nécessaire, de "1 tonne" soit 9810 N, alors, cela veut dire que la masse totale à bouger est alors de l'ordre de 50 kg...J'aimerais juste savoir quel est le cas réel.

Nota : si tu pouvais donner également le diamètre de vérin et la pression envisagés...

Cordialement

[A voir en vidéo sur Futura]

[Varand]

@mécano41

Concernant la charge, je pense qu'il s'agit bien d'une masse d'environ 1 tonne, ce qui fait que d'après ta remarque, les dimensions de mon vérin sont un peu hors propos...
J'étais parti sur une force théorique de 1 000 daN, auquel j'ai appliqué un coeff de 1,5, avec une pression d'utilisation de 200 bar. J'ai ensuite choisie un diamètre de tige de 2,5 cm (ce qui devrait largement passé en terme de flambement si la longueur de la tige est dans les 50mm), j'en ai donc déduis que la surface mini nécessaire était donc de : F/P= 7,5 cm² ce qui implique que le rayon mini du piston devait au mini être d'environ 4cm. Ce qui me permet d'avoir une force de 1 530 daN. Mais bon c'est un peu hors propos maintenant...


Effectivement, pour effectuer ce déplacement, il faudrait une accélération d'environ de 200m/s² (va falloir que je vérifie avec mon tuteur s'il s'agit bien de d'une masse d'une tonne à déplacer car ca risque d'être un peu compliqué à réaliser...).


Merci bien pour cette remarque, je vérifie ça et je vous confirmerais, si j'ai bel et bien fait une erreur.

Bonne soirée à vous.

[mécano41]

...autre question (je ne suis pas hydraulicien mais je suis curieux ) :

- qu'est-ce qui donnera la pulsation à l'huile pour animer le bazar? (40 cm3 à 200 bars à 50 Hz si la condition est 1 tonne à bouger)

Cordialement

[Varand]

Je dois avouer que je ne m'étais pas poser la question jusqu'à ce que je réalise l'accélération nécessaire pour réussir à atteindre l'objectif. J'étais parti du principe que les prérequis à la réalisation de ce vérin avait déjà était étudié.

Je vais me renseigner de ce coté là, et peut être que ça va faire capoter le projet si on ne dispose pas d'une très grosse pompe.

[mécano41]

J...peut être que ça va faire capoter le projet si on ne dispose pas d'une très grosse pompe...

...et d'un système de distribution qui fonctionne dans de bonnes conditions à cette fréquence ... mais là, c'est aux hydrauliciens de te répondre...

Cordialement

[djodjo44]

Bonsoir,

Cela me fait penser aux pots vibrants utilisés dans l'industrie.
Le circuit hydraulique comprendra certainement des accumulateurs hydrauliques.
Si le mouvement demandé est sinusoïdal le vérin devra être piloté coté fond et coté tige avec une belle électronique pour suivre le mouvement.

[Touche-à-tout]

Bonjour,

Les montages vibratoires de ce genre sont terriblement destructeurs !
Un vérin n'est peut-être pas la seule ni la meilleure solution pour répondre au besoin. On ne connaît pas l'application ni la configuration, mais la recommandation de principe, dans ce genre de situations contraignantes, est de simplifier le plus possible. Le peu d'informations données laisse cependant penser qu'un système de masselotte sur un axe serait le plus simple à mettre en place et résisterait assez longtemps avec des paliers surdimensionnés. Ce principe est utilisé pour les lits fluidisés, les tables vibrantes et les bourreuses de ballast ferroviaires... Pas de gestion de fluide, pas de fuite, la fréquence est réglable, plus simple et moins cher, l'hydraulique alternatif aura du mal à lutter contre le rotatif !

Cordialement,
Nicolas.

[Varand]

@mécano41 pour le distributeur, il ne devrait pas y avoir de difficulté à le faire fonctionner à 50 Hz. La solution est à l'étude mais diverses solutions permettre déjà de réaliser ce type de commande.

@djodjo44 je viens de regarder le système de pots vibrant et le design de ce type de technologie utilise des moteurs électriques.

@Touche-à-tout Remarque pertinente. Cependant, avec ce système on serait contraint d'atteindre l'amplitude totale de la course tout le temps. Ce n'est pas l'objectif désiré, ce qui explique qu'on se dirige sur un vérin afin de pouvoir "choisir" l'amplitude de la course (bien qu'en terme de commande ça risque d'être compliqué et de dépendre fortement des caractéristiques d'étanchéité du vérin).

Après concernant les conditions d'utilisations du vérin dans le détail, c'est des informations que je n'ai pas. Je vous remercie néanmoins de ces remarques qui m'ont permis de détecter certaines de mes erreurs^^.

Du coup concernant l'étanchéité, je suis toujours preneur de conseils/pistes afin de trouver une/des solution(s).

[PIXEL]

@djodjo44 je viens de regarder le système de pots vibrant et le design de ce type de technologie utilise des moteurs électriques.

c'est bien le sens de l'intervention

[Jaunin]

Bonjour,
Je me demande si avec une telle fréquence et charge à déplacer, le système ne fonctionne pas comme un Dashpot, c'est à dire que le piston se déplace dans l'huile sans rien faire fonctionner.
Cordialement.
Jaunin__

[Touche-à-tout]

Je n'avais pas connaissance de la nécessité de varier l'amplitude, c'est effectivement délicat à gérer avec des masselottes.

Par contre, j'ai hésité à en parler dans mon message précédent, dans l'absolu, un système à membrane répondrait aux critères du principe de fonctionnement, mais pour la charge et la fréquence, ouille-ouille le cisaillement ! Je ne sais pas ce que les éléments type accumulateurs hydrauliques sont capables d'encaisser mais les sphères de suspensions des Citroën doivent subir des contraintes similaires, peut-être une piste à explorer...

Parlant de BOLS vibrants, il en existe à mouvement magnétique, en gros un circuit électrique de sonnette qui pilote des entrefers au lieu de timbales. Sans contact, sans mouvement, réglable en fréquence et en amplitude. Même le rotatif ne peut pas lutter ! )

En tout cas, la version hydraulique risque d'être un cauchemar de mise au point, de fiabilité et de maintenance et donc de coût. Tout dépend si c'est un simple exercice ou s'il y a une réelle application industrielle derrière. Dans ce dernier cas, il faudrait sérieusement considérer les contraintes qu'il y aura à l'usage car persister dans la voie mécanique risque bien de mener à une grande désillusion. Je trouve qu'il y a beaucoup de cas sur ce forum où des stagiaires se voient confier une mission sur des critères qui les envoient dans une mauvaise direction. Le solution est souvent de contourner le problème en changeant de technologie mais on ne sait jamais au final comment ça se termine.
On voit passer de drôles de sujets par ici, des solutions très intéressantes sont proposées, il serait plaisant de savoir ce que deviennent ces propositions, ou mieux, de savoir comment s'en sortent ceux qui n'en tiennent pas compte...

Cordialement,
Nicolas.

[djodjo44]

Bonjour,

Les sphères citroen sont des accumulateurs hydrauliques.

Pour l'hydraulique, il n' y a aucun souci de fiabilité car l'hydraulique, plus cela tourne et moins cela tombe en panne. J'ai piloté un banc d'essai qui faisait en moyenne 10 000heures par an en tournant en automatique 24h/24. Je n'ai jamais eu de souci avec l'hydraulique, avec l'électronique si.

[Varand]

A priori je dirais que l'utilisation d'une membrane dans le cadre de mon application ne paraît pas viable pour les raisons suivantes:

- dans l'application de Citroën la membrane se déforme, mais ne frotte pas contre la paroi de la sphère (elle se "décolle" de la paroi puis se "replaque"). Je dis peut être une vrai bêtise sur ce point là, mais si la membrane frotte je vois difficilement comment elle peut justifier une durée de vie supérieur à 10 ans si je me réfère à ca, de plus si les effets de frottements sur ce matériau n'était pas problématique on aurait un joint qui aurait les caractéristique de cette membrane (en terme de résistance au frottement)
- d'un autre coté, le déplacement de la membrane est lié à la différence de pression dans la membrane et le fluide qui vient la rencontré engendrant ainsi l'amortissement. Si l'on doit rester sur ce principe alors le déplacement sera contrôlé par la pression, on perd donc de la puissance en terme d'effort que peut fournir le vérin (vérin qui sera alors simple effet). Si on utilise la membrane comme un joint classique, il y aura certainement des effets d'amortissement, mais elle subira d'important frottement.

Après j'ai peut être pas pensé à une architecture où la membrane pourrait fonctionner dans son domaine de confort, et je peux me tromper concernant sa résistance au frottement. Pour moi cette solution se rapproche plus d'un excellent système d'étanchéité statique que dynamique.

L'utilisation d'une technologie magnétique implique une puissance électrique importante (que nous n'avons pas) pour pouvoir créer un champ suffisant puissant afin d'atteindre les objectifs en terme d'effort voulu et de fréquence.


Pour répondre à la question concernant l'objectif de ce projet, je recherche une solution pour effectuer les 4mm de déplacement à 50 Hz. Ces recherches sont orientés systèmes hydraulique, l'électrique étant inenvisageable au vue de la puissance nécessaire. J'effectue donc une étude de faisabilité, et si celle-ci est validé alors des essais pourront être mis en place et ainsi aboutir à une application industrielle.


Merci Nicolas pour ces remarques qui m'ont au moins permis d'augmenter ma culture technique (et j'en ai bien besoin).

[djodjo44]

Dans un accumulateur, en fonctionnement, l'enveloppe de " caoutchouc" ne doit jamais venir frotter sur la parois de l'accu. Le volume et la pression de gonflage sont fonction du volume d'huile à absorber et des pressions mini et maxi.

Citroen a fait son système de membrane peut-être à cause des brevets et certainement pour une facilité de montage pour grande série.

[Touche-à-tout]

J'aurai dû préciser un peu plus mon idée en parlant des sphères, mais j'ai été pris par le temps et n'ai pas développé.

En fait, je voulais justement illustrer qu'une membrane peut parfaitement subir des déformations importantes à des pressions élevées sur une durée prolongée. De là, il faut effectvement distinguer l'usage qui en est fait en suspension dans un mode hydro-pneumatique, de l'usage en actionneur quand la partie pneumatique devient elle aussi hydraulique. Partons de la sphère que tout le monde connaît: on remplace la charge d'azote par un volume d'huile piloté par un distributeur et l'on obtient un "séparateur" qui règle la question de l'étanchéité. Ajoutons maintenant un poussoir, un guidage et une tringlerie sur la membrane, sortant côté "aval" du séparateur et on obtient un actionneur, c'est d'ailleurs ce que fait le bras de suspension complet de Citroën. Ce principe est aussi celui des commandes de robinetteries industrielles, on le voit surtout en basse pression sous la forme d'un champignon qui coiffe la tige des grosses vannes pilotées à l'air comprimé. Ça demande un peu de travail d'adaptation, mais dans le principe, je partirais d'un ensemble sphère modifiée (rechargée)+bras de suspension pour voir ce qu'il donne à 50 Hz.
En utilisant cette configuration simple effet, on s'affranchit du problème d'étanchéité du passage de tige, mais il reste une inconnue: la direction de la force à appliquer. Ça change pas mal de choses si le mouvement doit être horizontal ou vertical. Dans le premier cas, il faut faire revenir le mobile, tandis que dans l'autre on peut profiter de la gravité pour le retour. On ne connaît pas non plus le type de déplacement, translation, rotation ou pivot.


Une autre solution, pas forcément électrique, l'utilisation d'un motoréducteur, soit en axial avec excentrique, soit en radial (ou même en frontal) avec came (principe du poussoir qui entraîne les pompes de nettoyeurs HP). Le montage sur un second excentrique de la motorisation peut permettre de régler l'amplitude, éventuellement de l'asservir.

De toute façon, quelle que soit la solution retenue, il faudra soigner le dimensionnement et la lubrification, car 50 Hz sous charge alternative, ça représente des contraintes et des frottements significatifs. Le nombre de cycles devient vite astronomique, et en matière de durée de vie, on ne peut pas s'en sortir avec de la construction standard... acier trempé, rectifié, rodé et en bain d'huile fortement recommandé.

Cordialement,
Nicolas.

[Jean4259]

Bonsoir,

Si la charge est inertielle, ne pas oublier de calculer la fréquence propre du mécanisme. Elle est assez basse en hydraulique à cause de la compressibilité du fluide, et l'objectif de 50 Hz risque donc d'être inatteignable.

Jean

[Varand]

@Nicolas
Vu comme ça l'idée de la membrane semble assez séduisante, je vais voir ce qu'en pense mes collègues.
Concernant le moto réducteur, l'intérêt qu'il aurait serait d'augmenter la course du vérin afin d'augmenter la surface de lubrification du joint je suppose. L'inconvénient, c'est qu'il faudra aussi augmenter les dimensions du pistons à la fois à cause de l'effort nécessaire lié pour compenser l'effet "bras de levier" mais aussi à cause de la nécessité d'arriver à 50 Hz.


@Jean
Pour info j'aimerais bien avoir l'exemple d'un actionneur n'engendrant pas de charge inertielle (à partir du moment ou l'actionneur déplace un objet, l'objet doit faire face à une inertie non?).
Au sujet de l'étude vibratoire j'avoue avoir de sérieux doute sur sa nécessité quand je regarde le moteur d'une voiture je suis à peu près sur que chaque piston fonctionne bien au delà de 50 Hz (afin de parvenir à 4 000 RPM) et en terme de compressibilité l'air est bien pire qu'un fluide hydraulique. J'ai peut être raté quelque chose, donc si tu pouvais être plus explicite ça m'aiderait bien.


Cordialement,
Paul

[Jean4259]

Bonsoir,

Un vérin asservi en position, par exemple à l'aide d'une servovalve, se comporte comme un filtre passe-bas.
Les fréquences au dessus de la fréquence propre seront transmises avec une atténuation de - 12dB par octave.
Je vais essayer de retrouver un bouquin d'hydraulique qui donne la méthode de calcul de la fréquence propre.

Jean

[Touche-à-tout]

Paul,

Pour le moto-réducteur, je voyais plutôt la conversion de vitesse en couple pour générer le mouvement alternatif par un excentrique ou une came. C'est valable en électrique (puissance nécessaire moindre) et en hydraulique. J'ai cependant oublié la fréquence qui rend cette configuration bien difficile, désolé. Peut-être qu'en hydraulique le montage en multiplicateur pourrait répondre à la puissance requise, à voir.

Pour la technologie membrane, un essai peut facilement être conduit avec un circuit Citroën de récupération. Un bras de suspension complet, bien qu'ayant une course plus importante à l'origine, ne parcourra que la distance que le volume d'huile envoyé lui permettra. La validation expérimentale peut donc être réalisée assez rapidement et éviter de développer ce qui existe déjà. Le job serait plus d'essayer d'adapter un matériel préexistant et à la fiabilité démontrée aux performances souhaitées pour votre application. Si celle-ci est une réalisation ponctuelle type machine spéciale, ça peut s'arrêter là, si c'est pour une production régulière, ça peut nécessiter un peu plus d'adaptation mais le plus délicat sera déjà acquis.

Cordialement,
Nicolas.