FR2700811A1 - Dispositif pour générer une pression variable au sein d'un liquide. - Google Patents

Abstract

Ce dispositif permet de générer au sein d'un liquide test une pression dont le signai a une forme sensiblement rectangulaire, oscillant entre une valeur basse (P0) et une valeur haute (P1). Le conduit (7) contenant le liquide test est relié à deux sources de pression hydrauliques telles que des convertisseurs de pression (60, 60'), dont les valeurs correspondent à ces valeurs basse (P0) et haute (P1), par l'intermédiaire d'une paire de vannes (4b, 4c) qui basculent alternativement de leur état ouvert à leur état fermé, lesdites vannes (4b, 4c) étant commandées mécaniquement, au moyen d'une paire de cames rotatives (2b, 2c) qui tournent en synchronisme et qui actionnent chacune - par l'intermédiaire d'un organe suiveur (40b, 40c) - l'une de ces vannes.

Description

DISPOSITIF POUR GENERER UNE PRESSION
VARIABLE AU SEIN D'UN LIQUIDE
La présente invention concerne un dispositif pour générer une pression variable, et plus précisément une pression dont la représentation de la valeur en fonction du temps est un signal périodique de forme sensiblement rectangulaire, cette pression étant produite au sein d'un liquide - dit liquide test -.

Dans diverses branches de la technique, il est nécessaire de générer un signal de ce type, la pression au sein du liquide test variant périodiquement entre deux valeurs bien définies, une valeur haute et une valeur basse. La période du signal est inférieure à 1 seconde, par exemple égale à 0,4 s.

Comme exemple d'application, on peut citer notamment les bancs d'essais de résistance mécanique et de fatigue pour des éprouvettes creuses devant résister à des pressions internes, en particulier pour des éléments de canalisation ou des raccords en PVC (polychlorure de vinyle).

Pour générer une pression variable à signal rectangulaire du genre mentionné plus haut, les dispositifs traditionnels comportent un jeu d'électrovannes qui sont agencées pour mettre alternativement le liquide test (lequel est branché sur l'éprouvette) avec des sources de pressions hydrauliques basse et haute.

Ces dispositifs connus donnent satisfaction pour des petits débits. Cependant, pour des débits importants, il est nécessaire, en raison de la puissance importante qui doit être mise en oeuvre, d'utiliser des vannes à tiroirs. Malheureusement, ceux-ci ont un temps de réponse relativement long et leur fiabilité est médiocre du fait de la mise en oeuvre dans de telles vannes de joints glissants.

Ces dispositifs sont par conséquent mal adaptés à des bancs d'essais du genre qui a été évoqué ci-dessus, car les normes en la matière requièrent une application des pressions qui se fasse selon un signal très proche du signal rectangulaire théorique, ce qui implique une montée et une descente en charge très rapides. De plus, les valeurs des pressions basse et haute doivent être obtenues et contrôlées dans une fourchette de tolérance extrêment faible, au plus égale à t 0,5 bars. Or cette précision doit être contrôlée durant toute la durée de l'essai, c'est-à-dire pour un nombre très élevé de cycles, un essai durant généralement plus d'une heure.

Ces exigences sont difficilement remplies par les dispositifs traditionnels.

C'est pourquoi la présente invention a pour objectif de résoudre ces difficultés, en proposant un dispositif robuste, pouvant travailler pendant un nombre de cycles élevé en toute fiabilité, permettant d'obtenir un signal d'allure rectangulaire proche du signal théorique, développant des pressions dont les valeurs basse et haute soient très précises et restent constantes durant un nombre élevé de cycles, et enfin qui permettent de développer des pressions élevées avec un temps de réponse court.

Le dispositif selon l'invention, qui permet d'obtenir ces résultats, génére une-pression variable, à signal sensiblement rectangulaire, au sein d'un liquide test qui est relié à deux sources de pression hydraulique, correspondant l'une à la valeur basse, et l'autre à la valeur haute, ceci par l'intermédiaire d'une paire de vannes qui basculent alternativement de leur état ouvert à leur état fermé, de telle sorte que l'une d'entre elle est à l'état ouvert lorsque l'autre est à l'état fermé, et vice-versa.

Ce dispositif est remarquable en ce que la commande de ces deux vannes est réalisée mécaniquement, au moyen d'une paire de cames rotatives tournant en synchronisme, et actionnant chacune - par l'intermédiaire d'un organe suiveur - Itune desdites vannes.

Dans un mode de réalisation préférentiel du dispositif, ces deux cames sont portées par un arbre commun.

Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, les deux sources de pression hydraulique consistent en des convertisseurs de pression pneumo-hydrauliques.

Selon une autre caractéristique de l'invention, le convertisseur pneumo-hydraulique fournissant la pression haute est chargé périodiquement par un liquide hydraulique fourni par une source de pression dont la valeur est supérieure à cette pression haute, par l'intermédiaire d'une vanne qui est également actionnée mécaniquement par une came rotative, laquelle tourne en synchronisme avec les cames mentionnées plus haut.

Selon une autre caractéristique, le convertisseur pneumohydraulique fournissant la pression basse est chargé périodiquement par le liquide test.

Selon une autre caractéristique, le convertisseur pneumohydraulique fournissant la pression basse se décharge par une vanne de mise à pression atmosphérique, laquelle est également actionnée mécaniquement par une came rotative tournant en synchronisme avec les cames mentionnées plus haut.

De préférence l'ensemble de ces quatres cames est porté par un arbre rotatif commun.

Dans un mode de réalisation avantageux, lesdites vannes comportent une membrane obturatrice déformable élastiquement, et dont la déformation est réalisée par un poussoir solidaire de l'organe suiveur de came.

Les cames possèdent par exemple un contour comprenant deux portions de circonférence en arc de cercle, dont les rayons sont différents, et qui sont reliées par des portions transitoires.

L'invention concerne également un banc d'essai pour éprouvette creuse devant résister à des pressions internes, notamment pour un élément de canalisation ou un raccord, ce banc d'essai comprenant un générateur de pression du type qui vient d'être décrit, et dont le liquide test est amené à l'intérieur de l'éprouvette au moyen d'un conduit.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîttront de la description et des dessins annexés qui en présentent un mode de réalisation préférentiel.

Sur ces dessins
- la figure 1 est un schéma de principe du dispositif
- la figure 2 est un détail de l'une des cames de commande équipant le dispositif
- les figures 3 et 3A sont des schémas partiels et simplifiés similaires à celui de la figure 1, qui illustrent le fonctionnement du dispositif, celui-ci étant dans deux états différents d'un cycle
- la figure 4 représentent le signal de pression obtenu au moyen du dispositif selon l'invention
- les figures 5 et 6 sont respectivement des vues de côté et de face, avec coupe partielle, de la partie mécanique du dispositif
- les figures 7 et 7A sont des schémas qui illustrent le fonctionnement d'une vanne équipant le dispositif, cette vanne se trouvant respectivement à l'état ouvert et à l'état fermé.

A la figure 1, on a désigné par la référence 1 les moyens d'actionnement mécanique des vannes équipant le dispositif. Ces moyens consistent en un arbre rotatif 10, d'axe horizontal XX', sur lequel sont montées quatre cames 2a, 2b, 2c et 2d.

Cet arbre 10 est guidé dans deux paliers d'extrémités 11 et dans un palier intermédiaire 11' situé entre les cames centrales 2b et 2c. A l'une de ses extrémités, l'arbre 10 porte une poulie à gorge 12. L'arbre 10 est entraîné en rotation, à vitesse constante par un moto-réducteur électrique 3 via, une poulie d'entraînement 31 et une courroie trapèzoldale 32 s'engageant sur cette poulie et sur la poulie 12.

Un variateur de fréquence 30 permet de modifier à volonté la vitesse du moto-réducteur 3 et, corrélativement, la vitesse de rotation de l'arbre à cames 10.

Toutes les cames 2a à 2d ont le même contour, représenté à la figure 2. Elles possèdent un moyeu cannelé 23 s'engageant sur l'arbre 10.

Leur contour présente deux portions 20, 21 de diamètres différents, respectivement R1 et R2. Des portions de liaison progressive 22 font le raccordement entre les deux parties circulaires 20 et 21. A la figure 2, le sens de rotation de la came est symbolisé par la flèche F. La longueur d'arc
AB correspondant à la portion circulaire 20 ayant le rayon le plus grand R1 est supérieure à 1800. La longueur d'arc CD de la portion 21 de petit rayon
R2 s'étend sur un peu moins de 900.

Le calage angulaire des cames 2a et 2c sur l'arbre 10 est identique. De même, le calage angulaire 2b et 2d est identique. La position angulaire de la première paire de cames 2a-2c est décalée de 1800 par rapport à celle de la seconde paire 2b-2d.

Chacune de ces cames commande le déplacement d'un organe suiveur 40a, 40b, 40c et 40d, dont le déplacement axial, en direction verticale, provoque l'actionnement d'une vanne 4a, 4b, 4c et respectivement 4d.

Chacune des vannes 4 est à deux voies et peut occuper un état ouvert ou un état fermé. Un ressort 41 tend constamment à ramener la vanne dans son état fermé. Quand l'organe suiveur 40 associé à la vanne se trouve en face de la portion de came 21, la vanne est à l'état fermé. En revanche, lorsque l'organe suiveur se trouve appliqué contre la partie 20 de plus grand diamètre, la vanne se trouve à l'état ouvert.

Le dispositif comprend une source de pression hydraulique qui est fournie par une pompe 500 à partir d'un conduit 50 provenant d'un réservoir. Sur le conduit 50 se trouvent également des filtres 501, 502. Un conduit 51 branché en parallèle avec la pompe 500, et qui revient au réservoir, porte un régulateur de pression 510, dont la valeur est tarée.

Cette pression est transmise via un clapet anti-retour 52 et un accumulateur hydro-pneumatique 53 à un conduit 5. Le liquide hydraulique contenu dans le conduit 5 possède donc une valeur bien déterminée et précise P.

Le conduit 5 traverse successivement l'ensemble des vannes 4a, 4b, 4c et- 4d pour revenir au réservoir par un conduit 5d.

On a désigné par les références 5a, 5b, 5c les tronçons de conduit se trouvant respectivement entre les vannes 4a et 4b, 4b et 4c, 4c et 4d.

La portion 5b est reliée par un conduit 7, via un raccord de branchement 700, à l'éprouvette creuse que l'on souhaite tester. Le liquide test se trouve donc dans le conduit 7, et à l'intérieur de l'éprouvette.

Les tronçons 5a, 5c sont branchés chacun, par un conduit 6, respectivement 6' à un convertisseur de pression pneumo-hydraulique 60, respectivement 60' dont la membrane déformable est en contact par l'une de ses faces, avec un gaz - par exemple de l'azote - et, par l'autre, avec le liquide hydraulique (huile ou eau). Ce branchement se fait via une valve à étranglement prévue sur le conduit 6, respectivement 6', afin de filtrer le cas échéant les pics de pression.

Le convertisseur pneumo-hydraulique 60 est relié par un conduit 7 à une source de pression pneumatique 70, par exemple une bouteille d'azote sous pression, par l'intermédiaire d'un régulateur de pression taré 71. Sur le conduit 7 est également branché un accumulateur pneumatique 72.

De la même manière, le convertisseur 60' est relié par un conduit 7' à une source pneumatique 70'. La pression fournie au convertisseur 60' est contrôlée par un régulateur de pression taré 71', et il est également prévu sur le conduit 7' un accumulateur pneumatique 72'.

Les régulateurs 71 et 71' sont réglés de telle manière que la pression pneumatique règnant dans le conduit 7, respectivement 7' soit rigoureusement égale à la valeur haute P1 et, respectivement à la valeur basse P0 du signal à obtenir.

La valeur de la pression P délivrée par la source de pression hydraulique est choisie pour être légèrement supérieure à P1.

A titre indicatif, on a par exemple P = 65 bars, P1 = 60 bars et
P0 = 20 bars.

En nous référant plus particulièrement aux figures 3 et 3A, nous allons maintenant expliquer de quelle manière ce dispositif permet de générer dans l'éprouvette E une pression hydraulique variable, dont la représentation est un signal de forme sensiblement rectangulaire oscillant entre PI et P0.

Dans la position de l'arbre à cames représentée à la figure 3, les vannes 4a et 4c sont ouvertes tandis que les vannes 4b et 4d sont fermées.

Le liquide test, qui se trouve dans l'éprouvette E et dans le conduit 7 est donc branché, via la vanne ouverte 4c, au conduit 6'. Le liquide se trouvant dans ce dernier se trouve porté à la pression P0 par le convertisseur pneumo-hydraulique 60'. La pression dans l'éprouvette est donc égale à PO.

Le liquide se trouvant dans le conduit 6 se trouve à la pression
P, puisque ce conduit est relié par la vanne ouverte 4a au conduit 5. Le convertisseur 60 se trouve par conséquent chargé, la pression hydraulique déformant la membrane du convertisseur, car elle est supérieure à la pression P1 développée par ce convertisseur.

Au cycle suivant, qui est illustré à la figure 3A, le conduit 7 d'amenée de liquide à l'éprouvette E va se trouver relié, via la vanne 4b, au conduit 6. Ce dernier est maintenant isolé de la source hydraulique à pression P, et la pression qui y règne correspond à la pression P1 développée par le convertisseur 60. C'est donc à cette pression P1 que se trouve exposée l'éprouvette E. Dans le même temps, la pression P0 du convertisseur 60' chasse le liquide se trouvant dans le conduit 6', via la vanne ouverte 2d et le conduit 5d - lequel se trouve à la pression atmosphérique Pa - vers le réservoir de la source hydraulique.

Par suite de la rotation continue de l'arbre à cames, ce cycle est réitéré pendant toute la durée du test.

La figure 4 représente l'allure de la courbe qui donne la pression 2 (E) dans l'éprouvette en fonction du temps t. On obtient une courbe Cl de signal rectangulaire variant entre la pression basse P0 et la pression haute P1. Cette courbe est très proche de la courbe théorique C0.

Les temps tl et t0 représentent la durée de maintien des pressions haute et, respectivement basse.

A titre indicatif, tl = t0 = 0,2 seconde.

Comme déjà dit plus haut, P0 = 20 bars et P1 = 60 bars.

Pour faire varier la fréquence, il suffit de faire varier la vitesse de rotation de l'arbre à cames.

Pour modifier les pressions, on agit sur le tarage des différents régulateurs de pression.

Il est bien sûr possible d'avoir t0 différent de tl. Pour cela, il suffit de jouer sur la longueur relative des longueurs d'arc AB de rayon R1 et CB de rayon R2. Des séries de cames à contour souhaité peuvent être prévues à cet effet.

Les figures 5 et 6 montrent un mode de construction possible du dispositif mécanique d'actionnement des différentes vannes, et de la structure de ces vannes.

L'appareillage comprend un ensemble 8 constitué d'un socle fixe 80 disposé horizontalement et d'une plaque horizontale 81 dont l'écartement par rapport au socle 80 est réglable sur des tiges de guidage verticales 83, au moyen de goujons 82.

Les paliers 11, 11' solidaires de l'ensemble 8 sont des paliers à roulement à billes 110, 110' dans lesquels est guidé l'arbre à cames 10.

Chaque came 2 est boulonnée sur l'arbre 10. Les organes suiveurs de came 40 sont montés à l'extrémité de tiges 42 pouvant coulisser selon la direction verticale dans des manchons montés dans des alésages traversant la plaque 81. Chaque organe suiveur 40 vient en contact, par l'intermédiaire d'une pièce de frottement amovible 400, avec la came 2 qu'il lui est associée. I1 est possible de changer cette pièce 400 lorsqu'elle est usée anormalement.

Des ressorts 41 agissant sur les organes suiveurs 40 les sollicitent vers le bas, en direction des cames 2.

Les vannes 4 sont des vannes à membrane 9 élastiquement déformable.

Le corps de chacune de ces vannes est percé de haut en bas par un alésage vertical 44. Ce dernier débouche en partie basse dans une chambre située au-dessus de la membrane 9 et communiquant avec un espace annulaire 45. Ce dernier communique à son tour avec deux perçages opposés, taraudés, 47 qui débouchent latéralement vers l'avant et vers l'arrière du corps de vanne.

La partie supérieure de l'alésage 44, référencée 440, est également taraudée. Les perçages taraudés permettent le raccordement de la vanne aux différents conduits équipants le dispositif.

La tige 42 des suiveurs de cames porte à sa partie haute une tête bombée, en forme de portion de sphère - ou poussoir - 43. Chacune de ces tiges se trouve disposée coaxialement par rapport à l'alésage 44 de la vanne à laquelle elle est associée. Lorsqu'elle se trouve en position haute, elle déforme la membrane 9 de manière à l'appliquer contre la base 48 de l'alésage 44, qui a une forme concave complémentaire. L'alésage 44 se trouve alors obturé, et la vanne est fermée. En revanche, lorsque la tige 42 est en position basse, la membrane 9 retrouve sa forme naturelle plane, et n'empêche pas la communication entre l'alésage 44 et la chambre annulaire 45.

A la figure 5, on a représenté symboliquement par des traits forts les conduits qui sont branchés sur la vanne 4, en supposant qu'il s'agit de la vanne 4a.

Ainsi, c'est le conduit 5 qui est branché sur l'alésage 44, tandis que les conduits 5a et 6 sont branchés sur les perçages latéraux 46 et 47.

On notera, sur cette même figure, l'existence d'un perçage supplémentaire 48 qui débouche dans l'alésage 44 ; il est destiné au branchement d'un conduit 480 amenant le liquide à un capteur de pression (non représenté), ce qui permet de contrôler le fonctionnement de l'installation.

Dans le cas où on a affaire à la vanne 4b, c'est le conduit 5a qui arrive à l'alésage 44, tandis que les conduits 7 et 5b sont branchés aux perçages 47 et 46 respectivement.

Si on a affaire à la vanne 4c, c'est le conduit 5b qui arrive à l'alésage 44 tandis que les conduits 5c et 6' sont branchés aux perçages latéraux 47 et 46.

Enfin, si on a affaire à la vanne 4b, c'est le conduit 5c qui arrive à l'alésage 44, tandis que le conduit 5d est branché sur l'un des perçages 46 ou 47, l'autre étant obturé par un bouchon approprié.

Les figures 7 et 7A permettent de bien comprendre le fonctionnement des vannes 4.

Lorsque la tige 42 se trouve dans la position basse, la membrane 9 est à l'état non déformé et le liquide sous-pression arrivant dans l'alésage 44 communique librement avec les perçages 46 et 47, comme cela est symbolisé par les flèches à la figure 7.

La vanne est alors ouverte.

Lorsque la tige 42 se trouve dans sa position haute, ce soulèvement, symbolisé K à la figure 7A, étant provoqué par la came, la tête bombée 43 vient déformer la membrane en obturant la base de l'alésage 44. Celui-ci se trouve donc isolé des perçages 46, 47. La vanne est à l'état fermé.

De préférence, l'appareillage 8 se trouve placé à l'intérieur d'un bac 84 contenant de l'huile. L'arbre à cames baigne en permanence dans cette huile, ce qui améliore le glissement des pièces en mouvement et réduit l'usure.

Un tel dispositif permet de développer des pressions relativement élevées de manière répétitive et sur une longue durée, ceci avec des temps de réponse extrêmement faibles. En effet, l'actionnement des vannes est obtenu par une course de va-et-vient d'amplitude relativement faible des organes suiveurs (de l'ordre de quelques millimètres). De plus, ces derniers ont une faible inertie. Toute la partie hydraulique est complètement isolée (par les membranes des vannes) de la partie mécanique ce qui résoud les problèmes de fuite et de fiabilité rencontrés avec les vannes à joints glissants.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Dispositif pour générer une pression variable, dont la représentation est un signal de forme sensiblement rectangulaire, au sein d'un liquide - dit liquide test -, cette pression ayant alternativement des valeurs basse (P0) et haute (P1) bien déterminées, dans lequel le liquide test est relié à deux sources de pression hydraulique correspondant à ces valeurs basse (P0) et haute (P1) par l'intermédiaire d'une paire de vannes (4b, 4c) qui basculent alternativement de leur état ouvert à leur état fermé, de telle sorte que l'une d'entre elles est à l'état ouvert lorsque l'autre est à l'état fermé, et vice-versa, caractérisé par le fait que la commande desdites vannes (4b, 4c) est réalisée mécaniquement, au moyen d'une paire de cames rotatives (2b, 2c) tournant en synchronisme, et actionnant chacune - par l'intermédiaire d'un organe suiveur (40b, 40c) - l'une desdites vannes (4b, 4c).
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les deux cames (4b, 4c) sont portées par un arbre commun (10).
3. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que lesdites sources de pression hydraulique consistent en-des convertisseurs de pression pneumo-hydraulique (60, 60').
4. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le convertisseur pneumo-hydraulique (60) fournissant la pression haute (P1) est chargé périodiquement par un liquide hydraulique fourni par une source de pression (P) dont la valeur est supérieure à cette pression haute (P1), par l'intermédiaire d'une vanne (2a) qui est également actionnée mécaniquement, par une came rotative (2a), laquelle tourne en synchronisme avec lesdites cames (2b, 2c).
5. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le convertisseur pneumo-hydraulique (60') fournissant la pression basse (P0) est chargé périodiquement par le liquide test.
6. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le convertisseur pneumo-hydraulique fournissant la pression basse (P0) se décharge périodiquement par une vanne (4d) de mise à pression atmosphé rique (Pa), laquelle est également actionnée mécaniquement par une came rotative (2d) tournant en synchronisme avec lesdites cames (2b, 2c).
7. 7. Dispositif selon les revendications 1 et 6 prises en combinaison, caractérisé par le fait que l'ensemble des quatre cames (2a, 2b, 2c, 2d) est porté par un arbre commun rotatif (10).
8. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que lesdites vannes (4a, 4b, 4c, 4d) comportent une membrane obturatrice (9) déformable élastiquement, et dont la déformation est réalisée par un poussoir (43) solidaire de l'organe suiveur de came (40).
9. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que lesdites cames (2a, 2b, 2c, 2d) possèdent un contour comprenant deux portions de circonférence en arc-de-cercle (20, 21) dont les rayons (R1, R2) sont différents, qui vont reliées par des portions transitoires (22).
10. 10. Banc d'essai pour éprouvette creuse (E) devant résister à des pressions internes, notamment pour un élément de canalisation ou un raccord, caractérisé par le fait qu'il comprend un générateur de pression conforme à l'une des revendications 1 à 9, dont le liquide test est amené à l'intérieur de l'éprouvette au moyen d'un conduit (7).