EP0287434B1 - Vérin hydraulique différentiel, avec système amortisseur, pour la commande de disjoncteurs électriques - Google Patents

Vérin hydraulique différentiel, avec système amortisseur, pour la commande de disjoncteurs électriques Download PDF

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EP0287434B1
EP0287434B1 EP88400826A EP88400826A EP0287434B1 EP 0287434 B1 EP0287434 B1 EP 0287434B1 EP 88400826 A EP88400826 A EP 88400826A EP 88400826 A EP88400826 A EP 88400826A EP 0287434 B1 EP0287434 B1 EP 0287434B1
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EP
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jack
ring
damping
cylinder
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EP88400826A
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Claude Alain Gratzmuller
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66F—HOISTING, LIFTING, HAULING OR PUSHING, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, e.g. DEVICES WHICH APPLY A LIFTING OR PUSHING FORCE DIRECTLY TO THE SURFACE OF A LOAD
    • B66F3/00—Devices, e.g. jacks, adapted for uninterrupted lifting of loads
    • B66F3/24—Devices, e.g. jacks, adapted for uninterrupted lifting of loads fluid-pressure operated
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/20—Other details, e.g. assembly with regulating devices
    • F15B15/22—Other details, e.g. assembly with regulating devices for accelerating or decelerating the stroke
    • F15B15/222—Other details, e.g. assembly with regulating devices for accelerating or decelerating the stroke having a piston with a piston extension or piston recess which throttles the main fluid outlet as the piston approaches its end position
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/28—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism
    • H01H33/30—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism using fluid actuator
    • H01H33/34—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism using fluid actuator hydraulic

Definitions

  • the present invention relates to a differential hydraulic cylinder for controlling electric circuit breakers, of the type in which the annular chamber of the cylinder, defined by the interior surface of the cylinder of the cylinder and by the exterior surface of the outgoing rod of the piston, is permanently connected. to a high pressure hydraulic source.
  • the outgoing rod of the jack is coupled to the movable contact of the circuit breaker and a supply / bleed orifice, formed in the bottom of the main chamber of the jack, can be selectively connected to said high pressure source (position “Supply”) to push the piston, or to a low pressure tank (“Purge” position) to let the piston return to its initial position under the effect of the high pressure P prevailing in the annular chamber.
  • the first maneuver brings out the piston rod and brings the circuit breaker into the latched or closed position, while the second maneuver brings the rod back into the cylinder and brings the circuit breaker into the tripped or open position.
  • differential cylinders for this application, presents constructive difficulties, in particular because they must guarantee a permanent and absolute tightness, for very long periods, despite the very high hydraulic operating pressures P, of the order of 300 to 400 bar.
  • These jacks must therefore include at least, as shown in the aforementioned prior patent, a first seal at the passage of the outgoing rod through the bottom of the cylinder and a second seal on the piston.
  • This second packing preferably of the "spring packing” type, if one wishes to obtain a perfect seal, must withstand severe operating conditions and is therefore of delicate construction.
  • Damping systems are already known for hydraulic cylinders comprising a ring mounted floating in the bottom of the cylinder of the cylinder which is engaged in an extension, or damping stud, substantially frustoconical, carried by the piston.
  • an extension, or damping stud substantially frustoconical, carried by the piston.
  • the section of the annular passage located between the inner surface of the damping ring and the aforementioned extension of the piston decreases, which produces a gradual rolling of the oil contained in the chamber. of the cylinder, between the piston and the bottom of the cylinder carrying the damping ring. This oil rolling dampens the end of the piston stroke.
  • the object of the present invention is to remedy these drawbacks and to allow the production of a differential cylinder, with a ring damping system, of simple construction and of more reliable operation than in the past, the invention applying to a cylinder.
  • a cylinder of the type described in the abovementioned French patent application No. 87.04.134, that is to say, wherein the piston is combined with a valve-closing valve of the supply / drain orifice of the chamber main actuator, the piston positively actuating the valve of said valve to close said orifice at the end of the triggering stroke of the piston, and in which the piston is devoid of any seal.
  • the shut-off valve is constituted by a damping ring mounted floating in the bottom of the cylinder of the jack and surrounding the supply / bleed orifice, said ring having a substantially cylindrical inner surface with which comes cooperate an extension or damping stud, substantially conical, carried by the underside of the piston, to perform an oil rolling between said surface of the ring and said extension.
  • Said floating ring carries, on its upper annular surface, a first protruding circular lip against which the seal faces the lower face of the piston, at the end of the trigger stroke, and carries, on its lower annular surface, a second protruding circular lip which comes to bear in leaktight manner against the bottom of the cylinder of the jack, around the feed / bleed orifice, when the ring is pushed back by the piston, at the end of the triggering stroke.
  • the floating ring thus forms a double sealing valve, on the one hand between the piston and the ring and, on the other hand, between the ring and the cylinder bottom.
  • the differential actuator shown in FIG 1 is of the type described in the abovementioned French patent application No. 87.04.134.
  • a cylinder 2 preferably from the foundry in a foundry part 4, in which a piston 6 slides, devoid of a gasket.
  • the piston rod 6 is coupled to the movable contact of an electric circuit breaker not shown.
  • the piston 6 divides the interior volume of the cylinder 2 into an annular chamber 10 (above the piston) and a main chamber 12 (below the piston).
  • the bottom of the main chamber, or bottom of the cylinder, is constituted by a screwed stopper 14 in the center of which is formed a supply / bleed orifice 16.
  • the annular chamber 10 is placed in permanent communication with an oleopneumatic accumulator 20 connected to an orifice 21 of the cylinder.
  • the feed / purge orifice 16 can be selectively placed in communication, via a 3-way valve 26, or with the accumulator 20 ("feed" position) through pipes 18-28-24 , or with a low pressure tank 32 ("purge” position) through pipes 24-30.
  • the pipe 18 is a pipe of large section, preferably from the foundry in the cylinder block 4, which ensures a high-speed oil transfer between the two chambers 10 and 12 of the jack.
  • the outgoing rod 8 passes through the upper plug 34 through a seal 36.
  • the piston 6 carries first and second male damping members, of substantially or partially frustoconical shape or with sections storied.
  • the first damping member 38, above the piston 6, cooperates with a damping ring 40, similar to that described in the patent cited above, to damp the high end of stroke of the piston 6.
  • the second damping member 42 which constitutes an extension of the piston 6, below the latter, cooperates with the ring 44 forming both a damper and a double sealing valve, according to the damping system of the present invention.
  • the damping system follow the invention comprises the ring 44 which is mounted floating in a housing 46 where it is retained by the annular face upper part of the plug 14 and by a shoulder 48 cut in the cylinder 2.
  • a clearance is provided in the housing so that the ring can move radially in order to center freely on the damping extension 42 of the piston 6.
  • Such a floating mounting of a damping ring is well known and it allows an annular oil rolling passage to be obtained between the inner surface 50 of the ring 44 (see figure 3) and the extension 42 of the piston 6, producing an always reproducible damping.
  • the ring has, on its upper annular surface 52 a first projecting circular lip 53 and on its lower surface 56 a second identical lip 58.
  • the upper lip 54 forms, in cooperation with the lower annular face 60 of the piston 6, a tight seal in the end-of-travel position of the piston, while the lower lip 58 forms, in cooperation with the upper annular face 62 of the plug 14, a second waterproof seal.
  • the damping ring 44 plays the role of a double valve ensuring the tight closure of the feed / bleed orifice 16 when the piston is in its end-of-travel position, this same ring constituting the end-of-travel stop of the piston after damping.
  • the ring 44 is made of a harder metal than the piston 6 and that the plug 14 against which the lips 54, 58 bear. Thanks to the fact that, in the low position of the piston, the guides of the piston itself and of the piston rod 8 are the furthest apart, good parallelism is always obtained between the lower annular surface 60 of the piston 6 and the top of the circular lip 54, which ensures a good seal.
  • FIG. 2 shows the surfaces (or sections) S1 S2, and s respectively of the piston 6, the lips 54, 58 and the outgoing rod 8.
  • This figure shows the end-of-travel position for triggering the piston 6, the latter being in abutment against the ring 44.
  • the feed / purge orifice is in the purge, that is to say a low pressure P0 substantially equal to atmospheric pressure, while in the annular chamber 10 of the cylinder reigns the permanent high pressure P1 supplied by the accumulator 20 ( Figure 1).
  • the oil at pressure P1 contained in the chamber 10 above the cylinder leaks between the cylindrical outer surface 64 of the piston 6 and cylinder 2.
  • the pressure P1 is therefore established above and below the ring 44 in its outer zone limited by the lips 54, 58, said lips forming, with the facing surfaces 60-62, a pressure tight barrier P1.
  • the support force F1 is of the order of 0.3 (S2xP1)
  • the service pressure P1 in the hydraulic circuit breaker controls being of the order of 300 to 400 bar and the section S2 of the valve being able to be of the order of 10 to 20 cm2 in the most common applications, we see that the permanent closing force exerted on the valve can be very high, several tons, and ensures an absolute permanent seal, especially since the hard metal lips 54-58 imprint their imprint in the less hard metal of the piston 6 and of the plug 14.
  • the orifice 16 is supplied under the high pressure P1 (supply position - see figure 1, valve 24).
  • P1 supply position - see figure 1, valve 24.
  • the pressure therefore rapidly passes from the pressure P0 to the pressure P1: in the orifice 16; in the annular gap between the facing surfaces 50 and 68 of the ring 44 and the damping stud 42; then in space 70, below the piston 6, to the lip 54.
  • P2 P1 (1 -s / S2) that is, in the preferred case where S2 is of the order of 1.5 times s , P2 is of the order of 0.33 P1
  • these recharging means essentially comprise a non-return valve constituted by a ball 72 and a seat 74, this seat being cut from a socket 76 screwed into a bore 78 hollowed out in the stud of 'Damping 42.
  • One or more diametric holes 80 communicate the space located above the ball 72 with the outer surface 68 of the damping stud and, therefore, with the space 70 to be replenished.
  • the high damping pressure produced below the piston keeps the non-return valve 72-74 closed by pressing the ball 72 on its seat 74, so well that the oil can escape only by rolling between the stud 42 and the ring 44.
  • the non-return valve 72-74 need not be sealed since the same low pressure P0 prevails in the interval 70 and in the feed / drain hole (which is then in the drain). The non-return valve therefore has no severe production conditions.
  • External chamfers 84-84 ⁇ can also be provided to avoid any risk of the floating ring catching in its housing.
  • the section S3 of the damping pin 42 is smaller than the section S2 of the lips 54, 58 of the valve, but it is greater than the section s of the outgoing rod, by an amount such that the difference in section S3 - s is sufficient for the piston 6 to surely go to the bottom of the stroke (stroke of trigger), despite the leaks between the piston and the cylinder, when tests of slow operation are performed at low flow.
  • a valve surface S2 of the order of 50% greater than the section s of the outgoing rod is chosen
  • a section S3 is chosen for the damping stud of the order of 30% greater than the section s of the outgoing rod.

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Description

  • La présente invention concerne un vérin hydraulique différentiel pour la commande de disjoncteurs électriques, du type dans lequel la chambre annulaire du vérin, définie par la surface intérieure du cylindre du vérin et par la surface extérieure de la tige sortante du piston, est reliée en permanence à une source hydraulique haute-pression.
  • La tige sortante du vérin est attelée au contact mobile du disjoncteur et un orifice d'alimentation/purge, ménagé dans le fond de la chambre principale du vérin, peut être raccordé sélectivement à ladite source haute pression (position "Alimentation") pour repousser le piston, ou bien à un réservoir basse pression (position "Purge") pour laisser le piston revenir à sa position initiale sous l'effet de la haute pression P régnant dans la chambre annulaire.
  • La première manoeuvre fait sortir la tige de piston et amène le disjoncteur en position enclenchée ou fermée, tandis que la deuxième manoeuvre fait rentrer la tige dans le cylindre et amène le disjoncteur en position déclenchée ou ouverte.
  • De telles commandes hydrauliques de disjoncteur, à vérin différentiel, sont bien connues et ont été décrites par exemple dans le brevet français No 2.317.532 (ou brevet U.S. no 4.026.523).
  • La réalisation des vérins différentiels, pour cette application, présente des difficultés constructives, notamment du fait qu'ils doivent garantir une étanchéité permanente et absolue, pendant de très longues durées, malgré les pressions hydrauliques de service P très élevées, de l'ordre de 300 à 400 bar.
  • Ces vérins doivent donc comporter au moins, comme il est représenté sur le brevet antérieur précité, une première garniture d'étanchéité au passage de la tige sortante à travers le fond du cylindre et une deuxième garniture d'étanchéité sur le piston.
  • Cette deuxième garniture, de préférence du type "garniture à ressort", si on veut obtenir une étanchéité parfaite, doit supporter des conditions de fonctionnement sévères et est donc d'une réalisation délicate.
  • Dans la demande de brevet français No 87.04.134 déposée le 25 mars 1987 au nom du même inventeur, on a décrit un vérin différentiel dans lequel on a pu supprimer cette garniture sur le piston, grâce à la combinaison de ce piston avec une valve-clapet de fermeture de l'orifice d'alimentation/purge du vérin en fin de course de déclenchement du vérin. De plus, le document EP-A- 250 619 (article 54(3) et (4) de la CBE) fait connaître un piston sans garniture associé à un système de valves complexe destiné à assurer le maintien quasi-permanent de la haute pression sous la face du piston. Quant au document FR-A-2 181 525 il montre un piston-plongeur simple sans garniture mais illustre l'état de la technique traditionnel en matière de piston différentiel en prévoyant bien une garniture.
  • Une autre difficulté, dans la réalisation des vérins hydrauliques de commande de disjoncteurs électriques, provient de la nécessité d'un amortissement très efficace des fins de course du piston. En effet, les courses du piston devant être effectuées en un temps très bref, de l'ordre de quelques centièmes de secondes, les manoeuvres sont très brutales et il faut prévoir un ralentissement ou amortissement aux fins de course du piston. Ce problème est d'autant plus difficile qu'on ne dispose, dans cette application, que d'une très courte distance (de l'ordre de 20 à 50 mm) pour effectuer l'amortissement.
  • On connait déjà des systèmes d'amortissement pour vérins hydrauliques comportant une bague montée flottante dans le fond du cylindre du vérin est dans laquelle vient s'engager un prolongement, ou téton d'amortissement, sensiblement tronconique, porté par le piston. A la fin de la course du piston, la section du passage annulaire située entre la surface intérieure de la bague d'amortissement et le prolongement précité du piston va en diminuant, ce qui produit un laminage progressif de l'huile contenue, dans la chambre du vérin, entre le piston et le fond de cylindre portant la bague d'amortissement. Ce laminage d'huile amortit la fin de course du piston.
  • Un exemple de bague flottante d'amortissement pour vérin hydraulique est donné, par exemple, dans le brevet GB 998.753 (PARKER HANNIFIN) ainsi que, plus particulièrement pour l'application spécifique à la commande des disjoncteurs électriques, dans le brevet précité No 2.317.532.
  • Les systèmes d'amortissement, à bague flottante, connus ont un fonctionnement satisfaisant lorsqu'ils sont appliqués à des vérins hydrauliques de construction classique, c'est-à-dire dans lesquels le piston est pourvu d'une garniture d'étanchéité. Cependant, on doit prendre des précautions pour que les surpressions trés élevées, qui apparaissent dans les chambres ou "dash-pot" d'amortissement, ne soient pas transmises aux garnitures d'étanchéité du piston du vérin, lesquelles seraient, sinon, rapidement mises hors service.
  • Ceci complique encore la réalisation des vérins, surtout dans le cas où l'on recherche, comme pour la commande des disjoncteurs électriques, une fiabilité quasi-parfaite et une très longue durée de vie sans entretien.
  • Mais ces systèmes d'amortissement, à bague flottante, connus seraient inapplicables à des vérins différentiels dans lesquels le piston est dépourvu de garniture d'étanchéité, car ils n'assureraient pas la fermeture étanche permanente de l'orifice d'alimentation/purge de la chambre principale du vérin en fin de course de déclenchement du vérin. Il en résulterait une fuite d'huile permanente, donc une consommation d'huile permanente, pendant toutes les périodes où le disjoncteur se trouverait en position déclenchée, ce qui est inacceptable.
  • La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de permettre la réalisation d'un vérin différentiel, avec système amortisseur à bague, de construction simple et de fonctionnement plus fiable que par le passé, l'invention s'appliquant à un vérin du type décrit dans la demande de brevet français précité No 87.04.134, c'est-à-dire : dans lequel le piston est combiné avec une valve-clapet de fermeture de l'orifice d'alimentation/purge de la chambre principale du vérin, le piston actionnant positivement le clapet de ladite valve pour fermer ledit orifice en fin de course de déclenchement du piston, et dans lequel le piston est dépourvu de toute garniture d'étanchéité.
  • Suivant l'invention, la valve-clapet de fermeture est constituée par une bague d'amortissement montée flottante dans le fond du cylindre du vérin et entourant l'orifice d'alimentation/purge, ladite bague présentant une surface intérieure sensiblement cylindrique avec laquelle vient coopérer un prolongement ou téton d'amortissement, sensiblement conique, porté par la face inférieure du piston, pour effectuer un laminage d'huile entre ladite surface de la bague et ledit prolongement.
  • Ladite bague flottante porte, sur sa surface supérieure annulaire, une première lèvre circulaire en saillie contre laquelle vient s'appuyer de façon étanche la face inférieure du piston, en fin de course de déclenchement, et porte, sur sa surface annulaire inférieure, une deuxième lèvre circulaire en saillie qui vient s'appuyer de façon étanche contre le fond du cylindre du vérin, autour de l'orifice alimentation/purge, lorsque la bague est repoussée par le piston, en fin de course de déclenchement.
  • La bague flottante forme ainsi un double clapet d'étanchéité, d'une part entre le piston et la bague et, d'autre part, entre la bague et le fond de cylindre.
  • La combinaison en une seule pièce d'une bague flottante, formant à la fois bague d'amortissement et bague-clapet à double étanchéité, réduit donc le nombre de pièces constitutives du vérin, ce qui améliore le coût et la fiabilité.
  • L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des dessins annexés sur lesquels :
    • La figure 1 est une vue en coupe par un plan axial d'un vérin suivant un mode de réalisation de l'invention.
    • La figure 2 est une vue partielle, à plus grande échelle, de la partie inférieure de la figure 1.
    • La figure 3 est une vue en coupe diamétrale de la bague clapet/amortisseur.
    • La figure 4 est une vue partielle en coupe montrant la zone de contact de la bague avec le piston et le fond de cylindre.
    • La figure 5 est une vue analogue à la figure 2, montrant un mode préféré de réalisation de l'invention.
  • Le vérin différentiel représenté sur la figure 1 est du type décrit dans la demande de brevet français précitée No 87.04.134.
  • Il suffit d'indiquer qu'il comprend un cylindre 2, de préférence venu de fonderie dans une pièce de fonderie 4, dans lequel coulisse un piston 6, dépourvu de garniture d'étanchéité. La tige du piston 6 est attelée au contact mobile d'un disjoncteur électrique non représenté.
  • Sur la figure 1 on a représenté, dans la moitié gauche, le piston 6 dans sa position haute de fin de course (position "enchlenchée" du disjoncteur) et dans la moitié droite le piston dans sa position basse (repérée 6ʹ) de fin de course (position "déclenchée" du disjoncteur).
  • Le piston 6 divise le volume intérieur du cylindre 2 en une chambre annulaire 10 (au-dessus du piston) et une chambre principale 12 (au-dessous du piston). Le fond de la chambre principale, ou fond de cylindre, est constitué par un bouchon vissé 14 au centre duquel est ménagé un orifice d'alimentation/purge 16.
  • La chambre annulaire 10 est mise en communication permanente avec un accumulateur oléopneumatique 20 raccordé à un orifice 21 du cylindre.
  • L'orifice d'alimentation/purge 16 peut être mis sélectivement en communication, par l'intermédiaire d'une valve à 3 voies 26, soit avec l'accumulateur 20 (position "alimentation") à travers des canalisations 18-28-24, soit avec un réservoir à basse pression 32 (position "purge") à travers des canalisations 24-30.
  • Il faut noter que la canalisation 18 est une canalisation de forte section, de préférence venue de fonderie dans le bloc cylindre 4, qui assure un transfert d'huile à grand débit entre les deux chambres 10 et 12 du vérin.
  • La tige sortante 8 traverse le bouchon supérieur 34 à travers une garniture d'étanchéité 36.
  • De façon classique, et comme il a été décrit dans le brevet précité FR 2.317.532 (ou U.S. 4.026.523), le piston 6 porte un premier et un deuxième organes d'amortissement mâles, de forme sensiblement ou partiellement tronconique ou à sections étagées. Le premier organe d'amortissement 38, au-dessus du piston 6, coopère avec une bague d'amortissement 40, analogue à celle décrite dans le brevet cité ci-dessus, pour amortir la fin de course haute du piston 6.
  • Le deuxième organe d'amortissement 42, qui constitue un prolongement du piston 6, en-dessous de celui-ci, coopère avec la bague 44 formant à la fois amortisseur et double clapet d'étanchéité, suivant le système d'amortissement de la présente invention.
  • Il faut ici rappeler que, dans un vérin différentiel du type qui vient d'être décrit, l'absence de garniture d'étanchéité sur le piston 6 fait qu'il y a une fuite permanente d'huile, entre la surface cylindrique extérieure du piston et la surface en regard du cylindre 2, lorsqu'il existe une différence de pression sur les deux faces du piston.
  • En fin de course de déclenchement, position basse du piston, le piston lui-même, ou un clapet porté par le piston, vient obturer de façon étanche et maintenir obturé l'orifice d'alimentation/purge 16, lequel est alors à la basse pression.Toute fuite d'huile haute-pression est ainsi empêchée hors du cylindre du vérin par cet orifice, tant que le piston reste en position basse.
  • En référence à la figure 2, qui est une vue agrandie de la partie inférieure de la figure 1, le système d'amortissement suivent l'invention comprend la bague 44 qui est montée flottante dans un logement 46 où elle est retenue par la face annulaire supérieure du bouchon 14 et par un épaulement 48 taillé dans le cylindre 2. Un jeu est prévu dans le logement pour que la bague puisse se déplacer radialement afin de se centrer librement sur le prolongement d'amortissement 42 du piston 6. Un tel montage flottant d'une bague d'amortissement est bien connu et il permet d'obtenir un passage de laminage d'huile annulaire entre la surface intérieure 50 de la bague 44 (voir figure 3) et le prolongement 42 du piston 6, produisant un amortissement toujours reproductible.
  • Comme représenté sur les figures 2 et 3, la bague comporte, sur sa surface annulaire supérieure 52 une première lèvre circulaire en saillie 53 et sur sa surface inférieure 56 une deuxième lèvre identique 58.
  • La lèvre supérieure 54 forme, en coopération avec la face annulaire inférieure 60 du piston 6 un joint étanche en position de fin de course du piston, tandis que la lèvre inférieure 58 forme, en coopération avec la face annulaire supérieure 62 du bouchon 14, un second joint étanche. Ainsi la bague d'amortissement 44 joue le rôle d'un double clapet assurant la fermeture étanche de l'orifice alimentation/purge 16 lorsque le piston est à sa position de fin de course, cette même bague constituant la butée de fin de course du piston après amortissement.
  • De préférence, la bague 44 est réalisée en un métal plus dur que le piston 6 et que le bouchon 14 contre lesquels portent les lèvres 54, 58. Grâce au fait que, en position basse du piston, les guidage du piston lui-même et de la tige de piston 8 sont les plus éloignés, on obtient toujours un bon parallélisme entre la surface annulaire inférieure 60 du piston 6 et le sommet de la lèvre circulaire 54, ce qui assure une bonne étanchéité.
  • Sur la figure 2 on a indiqué les surfaces (ou sections) S₁ S₂, et s respectivement du piston 6, des lèvres 54, 58 et de la tige sortante 8.
  • Cette figure montre la position fin de course de déclenchement du piston 6, celui-ci étant en butée contre la bague 44. Dans cette position l'orifice d'alimentation/purge est à la purge, c'est-à-dire une basse pression P₀ sensiblement égale à la pression atmosphérique, tandis que dans la chambre annulaire 10 du vérin règne la haute-pression permanente P₁ fournie par l'accumulateur 20 (figure 1).
  • Avec le type de vérin auquel s'applique l'invention, dans lequel le piston est dépourvu de garniture d'étanchéité, l'huile à la pression P₁ contenue dans la chambre 10 au-dessus du vérin fuit entre la surface extérieure cylindrique 64 du piston 6 et le cylindre 2. La pression P₁ s'établit donc au-dessus et au-dessous de la bague 44 dans sa zone extérieure limitée par les lèvres 54, 58, lesdites lèvres formant, avec les surfaces en regard 60-62, une barrière étanche à la pression P₁.
  • Dans cette position, la force d'appui du piston 6 sur la bague est :



            F₁=P₂(S₁-s)


  • Etant donné qu'on prévoit S₂ de l'ordre de 1,5 fois la section s de la tige, la force d'appui F₁ est de l'ordre de 0,3(S₂xP₁)
       La pression P₁ de service, dans les commandes hydrauliques de disjoncteur, étant de l'ordre de 300 à 400 bar et la section S₂ du clapet pouvant être de l'ordre de 10 à 20 cm² dans les applications les plus courantes, on voit que la force permanente de fermeture exercée sur le clapet peut être très élevée, plusieurs tonnes, et assure une étanchéité permanente absolue, d'autant plus que les lèvres 54-58 en métal dur impriment leur empreinte dans le métal moins dur du piston 6 et du bouchon 14.
  • Il faut rappeler ici que la dernière partie de la course du piston, avant qu'il arrive en butée sur la bague 44, est amortie par la pénétration du prolongement 42 du piston 6 à l'intérieur de la bague 44. Sur les figures 2 et 4, on a représenté un jeu relativement important entre la surface cylindrique intérieure 50 de la bague 44 et la surface extérieure 68 du prolongement 42. Mais, dans le cas où on recherche un amortissement énergique, l'intervalle annulaire entre ces deux surfaces est très faible, pour produire un laminage d'huile efficace et il se produit de ce fait une très forte surpression, dite surpression d'amortissement, dans la chambre principale du vérin, en-dessous du piston.
  • Dans un vérin classique, cette surpression (plusieurs milliers de bar) est dangereuse pour la garniture du piston qui se trouve de façon brutale soumise à une pression très élevée. Au contraire, dans un vérin suivant l'invention cette surpression d'amortissement n'est aucunement dangereuse, puisque le piston est dépourvu de toute garniture.
  • On va maintenant décrire le fonctionnement du vérin, en référence à la vue partielle de la figure 4. Dans la position représentée, le piston 6 est en fin de course basse (fin de course de déclenchement), l'orifice alimentation/purge 16 est à la basse pression P₀ (purge), tandis que la haute pression permanente P₁ règne dans la chambre annulaire du vérin. Le piston 6 appuie sur la bague-clapet 44 avec la force F₁ = P₁ (S₂ - s) indiquée précédemment et la pression P₁ dans la chambre 10 s'établit également au-dessus et au-dessous de la bague 44, à l'extérieur des lèvres 54, 58, du fait de la non-étanchéité du piston 6 dans le cylindre 2. Toute la zone où règne la pression P₁ a été indiquée par des hachures sur la figure 4.
  • Pour effectuer la course inverse du vérin (course d'enclenchement), on alimente l'orifice 16 sous la haute pression P₁ (position alimentation - voir figure 1, valve 24). La pression passe donc rapidement de la pression P₀ à la pression P₁ : dans l'orifice 16 ; dans l'intervalle annulaire entre les surfaces en regard 50 et 68 de la bague 44 et du téton d'amortissement 42 ; puis dans l'espace 70, en- dessous du piston 6, jusqu'à la lèvre 54. Cette pression exerce donc sur le piston 6 une poussée vers le haut P × S₂ s'opposant à la force vers de bas F₁, et, dès qu'elle atteint une valeur P₂, dite pression de décollage, telle que :



            P₂ × S₂ = P₁ (S₂ - s)



    le piston 6 va commencer sa course d'enclenchement.
  • La "pression de décollage" est donc :



            P₂ = P₁ (1 -s/S₂)



    c'est-à-dire que, dans le cas préféré où S₂ est de l'ordre de 1,5 fois s, P₂ est de l'ordre de 0,33 P₁
  • On voit donc qu'on peut obtenir un démarrage franc et très rapide du vérin puisque, dès que la pression d'alimentation atteint 33 % de la haute pression P₁, le vérin se met en route, ce qui est très important dans le cas de la commande des disjoncteurs électriques où la réponse doit être très rapide.
  • Même dans le cas où on choisit une surface S₂ des lèvres qui soit double de la section s de la tige sortante, le décollage se produit pour une pression P₂ égale à 50 % de la haute pression P₁.
  • Bein entendu, après de "décollage", c'est-à-dire dès que les lèvres 54, 58 ne sont plus en contact étanche avec les surfaces 60-62 en regard, la pression P₁ s'exerce sur la totalité de la surface S₁ du piston 6 lequel est soumis à la force normale de fonctionnement F₃ = P₁.S₁ - P₁ (S₁-s) = P₁.s, comme dans un vérin différentiel classique.
  • Pour certaines applications, on a besoin d'un amortissement de fin de course très énergique et, dans ce cas, on prévoit un jeu annulaire très faible entre la surface extérieure 68 du téton d'amortissement 42 et la surface cylindrique en regard 50 de la bague d'amortissement.
  • Dans ce cas, ce faible jeu annulaire ralentit, au moment de la remise en pression de l'orifice d'alimentation/purge 16, l'arrivée de l'huile sous pression dans l'espace 70 situé en dessous du piston 6.
  • Pour augmenter, dans ce cas, la rapidité de réponse, il est avantageux de prévoir des moyens de réalimentation de cet espace 70.
  • Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 5, ces moyens de réalimentation comprennent essentiellement un clapet anti-retour constitué par une bille 72 et un siège 74, ce siège étant taillé dans une douille 76 vissée dans un alésage 78 creusé dans le téton d'amortissement 42. Un ou plusieurs perçages diamétraux 80 font communiquer l'espace situé au-dessus de la bille 72 avec la surface extérieure 68 du téton d'amortissement et, par conséquent, avec l'espace 70 à réalimenter.
  • Au moment du déclenchement (retour du piston 6 à la position basse), la haute pression d'amortissement produite en-dessous du piston maintient le clapet anti-retour 72-74 fermé par appui de la bille 72 sur son siège 74, si bien que l'échappement d'huile ne peut se faire que par laminage entre le téton 42 et la bague 44.
  • Au moment de la remise en pression de l'orifice d'alimentation/purge 16, l'huile sous pression soulève la bille 72 et gagne, par les perçages diamétraux 80, l'espace 70 sous le piston 6 où s'établit la pression P₂, dite pression de décollage, dont il a été question dans ce qui précède.
  • Il est à noter que, lorsque le vérin est en position basse (position déclenchée du disjoncteur), le clapet anti-retour 72-74 n'a pas besoin d'être étanche puisque la même basse pression P₀ règne dans l'intervalle 70 et dans l'orifice d'alimentatin/purge (qui se trouve alors à la purge). Le clapet anti-retour ne présente donc aucune condition sévère de réalisation.
  • Pour faciliter la réalimentation d'huile depuis les perçages 80 vers l'espace 70, on peut prévoir un suralésage de la surface cylindrique intérieure 50 de la bague 44 au niveau de ces perçages 80, mais, de préférence, on prévoit un chanfrein 82 (voir figure 3) à la partie supérieure de la bague 44, sensiblement en regard de la sortie du perçage 80 (indiqué en traits interrompus sur la figure 3).
  • Pour éviter toute erreur de montage, il est avantageux de prévoir aussi un chanfrein 82ʹ à la partie inférieure de la bague 44, si bien que celle-ci peut être montée indifféremment à l'endroit ou à l'envers.
  • Des chanfreins extérieurs 84-84ʹ peuvent également être prévus pour éviter tout risque d'accrochage de la bague flottante dans son logement.
  • De même, il est plus simple que le diamètre des lèvres circulaires 54 et 58 (donc la section S₂ de ces lèvres) soit identiques, ce qui permet le montage dans n'importe quel sens, mais, sans sortir du cadre de l'invention, on pourrait prévoir des lèvres 54 et 58 de sections différentes.
  • Dans un vérin suivant l'invention, la section S₃ du téton d'amortissement 42 est plus petite que la section S₂ des lèvres 54, 58 du clapet, mais elle est plus grande que la section s de la tige sortante , d'une quantité telle que la différence de section S₃ - s soit suffisante pour que le piston 6 aille sûrement à fond de course basse (course de déclenchement), malgré les fuites entre le piston et le cylindre, lorsqu'on fait des essais de fonctionnement lent, sous faible débit. Dans le cas où on choisit une surface de clapet S₂ de l'ordre de 50 % supérieure à la section s de la tige sortante, on choisit une section S₃ pour le téton d'amortissement de l'ordre de 30 % supérieure à la section s de la tige sortante.

Claims (10)

  1. Vérin hydraulique différentiel, pour commande oléopneumatique de disjoncteur électrique qui comprend un cylindre (2), un piston (6) et une tige sortante (8) de piston (6) définissant, dans le cylindre, une chambre annulaire (10) d'un côté du piston et une chambre principale (12) de l'autre côté du piston, ladite tige sortante (8) étant attelée au contact mobile du disjoncteur, ladite chambre annulaire (10) étant reliée en permanence a une source (20) de fluide hydraulique haute pression et ladite chambre principale (12) comportant, dans le fond correspondant (14) du cylindre un orifice d'alimentation/purge (16) de ladite chambre (12), ledit piston portant, sur sa face (60) tournée vers la chambre principale (12) un téton d'amortissement (42) adapté à coopérer avec une bague d'amortissement (44) montée flottante autour de l'orifice d'alimentation/purge (16), ledit vérin étant caractérisé :
    - en ce que son piston (6) est dépourvu de garniture d'étanchéité vis-à-vis de la surface intérieure du cylindre (2) ;
    - en ce que ladite bague (44) constitue une butée de fin de course du piston (6) ;
    - en ce que ladite bague comporte, sur sa surface annulaire radiale tournée vers la chambre principale (12), une première zone annulaire d'étanchéité (54) et, sur sa surface annulaire radiale opposée une deuxième zone annulaire d'étanchéité (58), lesdites première et deuxième zones (54, 58) étant adaptées à former un premier et deuxième clapets étanches respectivement avec la face précitée (60) du piston et avec le fond (14) du cylindre lorsque le piston est à sa fin de course.
  2. Vérin suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la première et la deuxième zone annulaire d'étanchéité sont constituées par une première (54) et une deuxième (58) lèvres circulaires d'étanchéité faisant saillie respectivement sur les deux faces annulaires radiales de la bague (44) et faisant partie intégrante de ladite bague.
  3. Vérin suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la bague (44) et, partant, les lèvres (54, 58) sont faites en un métal plus dur que celui du piston (6) et celui du fond de cylindre (14).
  4. Vérin suivant l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la surface S₂ délimitée par les lèvres (54, 58) est plus grande que la section s de la tige sortante (8), de préférence de l'ordre de 50 % plus grande.
  5. Vérin suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la première lèvre (54) et la deuxième lèvre (58) délimitent une surface identique S₂.
  6. Vérin suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens de réalimentation en fluide haute pression des espaces annulaires (70) situés entre la face (60) du piston et la face en regard (52) de la bague (44).
  7. Vérin suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de réalimentation comprennent un clapet anti-retour (72-74) logé dans le téton d'amortissement (42) du piston (6) et des canaux radiaux (80) percés dans ledit téton (42).
  8. Vérin suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de réalimentation comprennent un chanfrein (82) taillé à la périphérie intérieure (50) de la bague (44) sensiblement en regard des canaux (80).
  9. Vérin suivant la revendication 8, caractérisé en ce qu'un second chanfrein (82ʹ) est taillé dans la bague (44) symétriquement au chanfrein (82), grâce à quoi ladite bague est symétrique par retournement.
  10. Vérin suivant l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la section S₃ du téton d'amortissement (42) est plus grande que la section s de la tige sortante (8).
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