Introduction : L'importance de la sélection des vérins hydrauliques
Hydraulique vérin sont des actionneurs critiques dans les systèmes hydrauliques. Leur sélection précise a une incidence directe sur l'adéquation et les performances de l'équipement. Les exigences en matière de vérins hydrauliques varient considérablement selon les scénarios industriels et les conditions de travail, qu'il s'agisse de machines-outils de précision ou d'engins de chantier lourds.
Une mauvaise sélection peut entraîner une faible efficacité de fonctionnement de l'équipement, des pannes fréquentes et même des risques pour la sécurité. C'est pourquoi une méthode de sélection scientifique et systématique est essentielle. Ce guide analyse les éléments clés et les étapes de la sélection des vérins hydrauliques, vous fournissant ainsi un guide de sélection complet et pratique.
Étape 1 : Déterminer la pression du système P
Le choix de la pression dépend de la taille de la charge (F) et du type d'équipement. Vous devez également prendre en compte les limitations telles que l'espace d'installation de l'actionneur, les conditions économiques et la disponibilité des composants.
Lorsque la charge est fixe, une faible pression de travail nécessite des dimensions structurelles d'actionneur plus importantes. Pour certains équipements, les dimensions sont limitées et, du point de vue de la consommation de matériaux, ce n'est pas économique. Inversement, si la pression est trop élevée, les exigences relatives aux matériaux de la pompe, du cylindre et de la vanne, à l'étanchéité et à la précision de fabrication augmentent également, ce qui accroît inévitablement les coûts de l'équipement.
Lignes directrices générales :
- Équipements fixes avec moins de restrictions de taille : choisir une pression plus basse
- Mobile machines privilégiant la compacité : choisir une pression plus élevée
Sélection de la pression en fonction de la charge :
| Charge (kN) | Pression de conception (MPa) |
|---|
| < 5 | 0.8-1.2 |
| 5-20 | 1.5-2.5 |
| 20-50 | 2.5-3.5 |
| 50-100 | 3.5-5 |
| > 100 | > 5 |
Pression de conception par type d'équipement :
| Type d'équipement | Pression de conception (MPa) |
|---|
| Machines agricoles | 10-16 |
| Machine-outil | 2.5-4 |
| Machine de moulage par injection de plastique | 14-18 |
| Machines d'exploitation minière | 21-32 |
| Machines de construction | 16-21 |
Étape 2 : Sélection du diamètre de l'alésage D et du diamètre de la tige d
Après avoir sélectionné la pression de conception (P est connue) et connu la taille de la charge (F), calculez la zone de support de la force à l'aide de formules. Calculez ensuite le diamètre de l'alésage du cylindre en fonction de la zone de support de la force.
Formules de force :
- Poussée (Thrust) : F1 = A1 × P1 × β
- Force de traction : F2 = A2 × P2 × β
Calculs de surface :
- A1 : Surface de pression du piston côté poussée (cm²), A1 = π/4 × D² = 0,785 × D²
- A2 : Surface de pression du piston côté traction (cm²), A2 = π/4 × (D² - d²) = 0,785 × (D² - d²)
Où ?
- D : Diamètre intérieur du cylindre / diamètre du piston (cm)
- d : Diamètre de la tige du piston (cm)
- P1 : Pression de fonctionnement côté poussée (kgf/cm²)
- P2 : Pression de service côté traction (kgf/cm²)
- β : Taux de charge
Remarques importantes :
- La puissance réelle du cylindre est inférieure à la puissance théorique
- Valeur β du taux de charge : 80% pour les applications à faible inertie, 60% pour les applications à forte inertie
Exemple de calcul
Compte tenu de ce qui précède : La force de sortie du vérin est de 1000 kg, la pression de fonctionnement est de 70 kgf/cm².
Solution :
- Force F = 1000 kg
- Pression de service P = 70 kgf/cm².
- Taux de charge β = 0,8
Étape 1 : Calculer la surface de pression
A1 = F1 / (P1 × β) = 1000 / (70 × 0,8) = 17,86 cm².
Étape 2 : Calculer le diamètre de l'alésage
A1 = π/4 × D² = 0,785 × D²
D² = 17,86 / 0,785 = 22,75 cm².
D = √22,75 = 4,8 cm = 48 mm
Résultat : Le diamètre intérieur de l'alésage doit être de 50 mm
Sélection du diamètre de la tige
| Pression du système | Ratio du diamètre de la tige |
|---|
| P ≤ 10 MPa | d = 0,5D |
| P = 12,5 à 20 MPa | d = 0,56D |
| P > 20 MPa | d = 0,71D |
Plus la pression est élevée, plus le diamètre de la tige doit être important pour garantir la résistance et la stabilité.
Étape 3 : Sélection de la course S
En fonction des exigences de la conception globale de l'équipement ou du système, déterminer la méthode d'installation et la course S.
Formule de l'accident vasculaire cérébral :
S = Course de travail maximale réelle (Smax) + Marge de course (ΔS)
Où ? ΔS = ΔS1 + ΔS2 + ΔS3
Principes de détermination de la marge de l'accident vasculaire cérébral :
- ΔS1 : Marge de tolérance de fabrication pour les dimensions de l'installation structurelle du système
- ΔS2 : Marge de course de travail nécessaire à la position de départ de la course du vérin
- ΔS3 : Marge de course de travail nécessaire à la position de fin de course du vérin
Important : Lorsque les vérins hydrauliques ont des exigences en matière de fonction tampon, la taille de la marge de course affecte directement les performances du tampon. Il est recommandé de minimiser la marge de course ΔS autant que possible.
Considérations sur la course longue : Pour les vérins dépassant la course maximale autorisée dans les catalogues de produits, effectuer une vérification de la stabilité en fonction des conditions de travail spécifiques (caractéristiques de charge, méthode d'installation, etc.).
Étape 4 : Sélection de la méthode de montage
La méthode de montage du vérin se réfère à la façon dont le vérin se connecte à l'équipement. Après avoir déterminé la méthode de montage, confirmez les dimensions de montage.
Tableau de comparaison des méthodes de montage
| Type de montage | Application | Caractéristiques |
|---|
| Montage sur bride | Installation fixe, force sur l'axe central | Options de brides avant/arrière/queue |
| Montage à tourillon | Trajectoires de mouvement incurvées, opérations angulaires | Options de montage sur chape ou sur goupille |
| Support de pied | Installation fixe, application d'une force décentrée | Options de pieds avant/arrière/latéraux |
Montage de la bride
Convient aux installations fixes où la force d'action et le centre d'appui sont sur le même axe. Possibilités de montage : à l'avant, au milieu ou à l'arrière.
- Applications de compression (push) : Utiliser le montage à bride arrière ou centrale
- Applications de tension (traction) : Utiliser le montage à bride avant ou intermédiaire
Montage sur tourillon
Convient aux applications où la force agissante amène le composant mobile de la machine à suivre une trajectoire courbe dans le même plan de mouvement.
Montage de la chape de queue (le plus courant) :
- Chape simple : Pour les mouvements de ±3° dans un plan de mouvement
- Chape double : Pour tout angle dans un plan de mouvement ; envisager le flambage de la tige de piston pour une force de poussée à longue course.
Support de broche (avant/milieu/arrière) :
- Montage de l'axe central : Le plus courant, il permet un équilibre dans n'importe quelle position entre les extrémités.
- Fixation de l'axe arrière : Similaire à la méthode de sélection de la double chape
- Fixation de l'axe avant : Convient aux cylindres à diamètre de tige plus petit ; limite la course à 5 fois le diamètre de l'alésage
Montage du pied
Convient aux installations fixes où le plan de montage n'est pas sur le même plan que l'axe central du vérin. Il faut veiller à un positionnement et à une fixation corrects du composant installé, ainsi qu'à un guidage approprié de la charge afin d'éviter une charge latérale excessive sur la tige du piston.
Étape 5 : Sélection du tampon de position finale
Dans ces conditions, choisissez un amortissement à deux extrémités ou à une seule extrémité :
- Lorsque le piston du cylindre effectue une course complète et que la vitesse de retour est > 100 mm/s : sélectionner l'amortissement à deux extrémités.
- Lorsque la vitesse de retour est > 100 mm/s à l'approche de la fin de course : choisir un amortissement simple ou double.
- Autres conditions de travail spécifiques
Étape 6 : Sélection du type de port et du diamètre
Types de ports : Filet intérieur, bride et autres types spéciaux - déterminés par la méthode de raccordement de la tuyauterie du système.
Principe de sélection du diamètre de l'orifice : Lorsque le débit du fluide dans la canalisation de raccordement entre le système et la bouteille est connu, la vitesse d'écoulement du fluide à travers l'orifice ne doit généralement pas dépasser 5 m/s.
Étape 7 : Cylindre avec valves intégrées
Maintien de la pression : Les vannes à tiroir ont un jeu de fuite et ne peuvent maintenir la pression que pendant de courtes périodes. Pour les besoins de maintien de la pression, il convient d'ajouter au circuit un clapet de contrôle piloté.
Cylindre “support” : Dans les vérins hydrauliques verticaux, raccorder la soupape pilote-contrôle au circuit de la chambre inférieure afin d'éviter tout glissement.
Verrouillage du cylindre : Lorsque le distributeur est en position neutre, deux vannes pilote-contrôle se ferment hermétiquement, scellant les deux chambres du cylindre.
Étape 8 : Sélection des conditions de travail particulières
Moyen de travail :
- Le milieu normal est l'huile minérale
- Recommandé : huile hydraulique anti-usure 32# et 46#
- Température optimale de l'huile : 20-55°C
- Ne pas faire fonctionner en dessous de 15°C ou au-dessus de 70°C
- Remplacer l'huile hydraulique tous les 1 à 6 mois et nettoyer le réservoir d'huile
Environnement/température moyenne :
- Température normale du milieu de travail : -20°C à +80°C
- Au-delà de cette plage, noter les effets sur l'étanchéité, les matériaux et les systèmes de refroidissement.
Grande précision opérationnelle :
Pour les systèmes à servocommande ou à pression moyenne-haute avec de faibles exigences de pression de démarrage, noter les effets sur l'étanchéité, les matériaux et la conception détaillée.
Aucune fuite :
Pour les bouteilles ayant des exigences spécifiques en matière de maintien de la pression, noter les effets sur l'étanchéité et les propriétés des matériaux.
Environnement vibratoire à haute fréquence :
Noter les effets sur les propriétés des matériaux, les structures de connexion et la conception détaillée.
Gel à basse température ou environnement pollué :
Environnements à forte poussière, pulvérisation d'eau, brouillard acide ou brouillard salin - noter les effets sur l'étanchéité, les matériaux, le traitement de surface de la tige du piston et la protection du produit.
Étape 9 : Sélection de la qualité des scellés
En cas de conditions de travail particulières, d'exigences de qualité spécifiques ou de défaillances du système d'étanchéité des vérins hydrauliques ayant des conséquences graves (impact sur la sécurité, difficulté de remplacement, pertes économiques importantes) ou d'exigences particulières pour les vérins adaptés à l'exportation, il est recommandé que les ingénieurs professionnels du fabricant recommandent des marques de joints bien connues présentant une bonne interchangeabilité et un approvisionnement facile sur la base des conditions de travail.
Étape 10 : Sélection d'autres caractéristiques
Soupape de purge d'air : En fonction de la position de travail du vérin, il est normalement réglé au point le plus élevé où l'air s'accumule finalement dans la chambre terminale des deux cavités. Une fois que l'air est évacué, il empêche la reptation, protège les joints et ralentit la dégradation de l'huile.
Orifice de fuite : Dans les environnements de travail interdisant strictement les fuites d'huile externes, en raison de la longue course du cylindre ou de certaines conditions de travail entraînant une accumulation d'huile derrière le joint anti-poussière pendant le fonctionnement, un orifice de fuite doit être installé à la position d'accumulation de l'huile.
Résumé de la liste de contrôle de sélection
Avant de finaliser votre choix de vérin hydraulique, vérifiez :
- [Pression du système déterminée en fonction de la charge et du type d'équipement
- [Diamètre de l'alésage calculé à partir des exigences en matière de force et de pression
- [Diamètre de la tige sélectionné en fonction de la pression de service
- [La course est déterminée avec une marge de tolérance et de positionnement suffisante.
- [Méthode de montage sélectionnée pour votre application (bride/ tourillon/pied)
- [Tampon sélectionné si la vitesse du piston est supérieure à 100 mm/s
- [Type et taille de l'orifice en fonction du débit requis
- [Exigences particulières prises en compte (température, précision, fuite)
- [Qualité des joints adaptée à la criticité et à l'accessibilité de l'entretien
Questions fréquemment posées
Comment calculer l'alésage d'un vérin hydraulique ?
Utilisez la formule A1 = F / (P × β), où F est la force requise, P est la pression de service et β est le taux de charge (généralement 0,8 pour les applications à faible inertie). Calculez ensuite D à partir de A1 = 0,785 × D².
Quelle est la relation entre la pression et le diamètre de la tige ?
Pour P ≤ 10 MPa, le diamètre de la tige d = 0,5D ; pour P = 12,5-20 MPa, d = 0,56D ; pour P > 20 MPa, d = 0,71D.
Quand dois-je utiliser un tampon sur les vérins hydrauliques ?
Choisir l'amortissement à deux extrémités lorsque la vitesse du piston dépasse 100 mm/s dans les deux directions. Choisir l'amortissement simple lorsqu'une seule direction présente une vitesse élevée à l'approche de la fin de la course.
Quelle est la meilleure méthode de montage pour les mouvements courbes ?
Le montage sur tourillon (chape ou axe) est préférable pour les trajectoires de mouvement incurvées. La chape simple fonctionne pour les mouvements de ±3° ; la chape double permet d'obtenir n'importe quel angle dans un plan.
Quel fluide hydraulique est recommandé pour les vérins hydrauliques ?
L'huile hydraulique anti-usure 32# ou 46# est recommandée. La température optimale de fonctionnement est comprise entre 20 et 55°C.
Conclusion
Le choix d'un vérin hydraulique nécessite la prise en compte systématique de multiples facteurs, notamment la pression, la taille de l'alésage, le diamètre de la tige, la course, la méthode de montage et les conditions de travail particulières. En suivant le processus de sélection étape par étape décrit dans ce guide, vous pouvez garantir une adéquation optimale entre le vérin hydraulique et votre équipement.
Une sélection appropriée garantit la performance de l'équipement, réduit les pannes et prolonge la durée de vie du système.
