Contrôle du débit et distribution proportionnelle
Les valves hydrauliques proportionnelles permettent d’associer une commande électrique variable à une variation progressive d’une fonction hydraulique. Dans cet article, nous traitons les valves de contrôle de débit à action proportionnelle et les valves de distribution à action proportionnelle.
1. Principe de fonctionnement proportionnel
Dans un limiteur de débit proportionnel à commande directe, l’électro-aimant proportionnel agit directement sur le tiroir contre le ressort de rappel. La position du tiroir fait varier la section de passage, et donc le débit. Les fentes de progressivité du tiroir déterminent la loi de variation du débit ainsi que le débit maximal.
Cette approche permet de commander progressivement la vitesse d’un actionneur. Parker décrit ses valves proportionnelles comme des valves hydrauliques réglables électriquement, et indique que le signal de commande peut servir à accélérer ou décélérer un actionneur.
2. Valves proportionnelles de contrôle du débit
Il existe deux types de valves de contrôle de débit à action proportionnelle :
- Limiteur de débit proportionnel à commande directe
- Régulateur de débit à effet proportionnel
2.1 Limiteur de débit proportionnel à commande directe
La valve représentée ci-dessus a été développée à partir du programme des valves de distribution conventionnelles. Le noyau de l’électro-aimant à action proportionnelle agit directement sur le tiroir de la valve en le poussant contre le ressort de rappel. En fonction de la position du tiroir, la valve ouvre différentes sections de passage et permet ainsi de faire varier les débits.
Les fentes de progressivité aménagées sur le tiroir déterminent la courbe du débit de passage et le débit maximum.
Les chambres des ressorts de rappel, placées à l’extrémité des tiroirs, sont en liaison avec la canalisation de retour des fuites ; de ce fait, l’orifice de retour T peut être chargé jusqu’à la pression maximale. Grâce à cette particularité, différents sens de passage du fluide sont possibles.
Alimentation simple passage : lorsqu’il s’agit de contrôler de petits débits, on utilise le passage de P vers B ; les orifices A et T restent obturés.
Alimentation double passage : dans ce cas, on utilise les deux sens de passage de la valve 4 voies en parallèle ; il en résulte la possibilité d’un débit contrôlé double. L’alimentation se fait par P et A, la sortie par B et T.
Pour permettre de visualiser les 4 orifices de raccordement, on utilise le symbole d’une valve de distribution 4/2 à section de passage progressive.
2.2 Régulateur de débit à effet proportionnel
Un régulateur de débit garantissant un débit constant — non influencé par les variations de pression à son alimentation ni par celles provoquées par les variations de la charge du récepteur — se compose d’un restricteur de mesure et d’une balance de pression. Dans le modèle représenté ci-dessous, le limiteur de débit proportionnel fait office de restricteur de mesure. La balance de pression est réalisée avec une cartouche normalisée.
Parker indique également que ses valves proportionnelles de débit peuvent fournir une compensation de pression de type pseudo-compensation, et qu’un compensateur peut être ajouté pour améliorer cette fonction.
2.3 Exemple Parker : valves proportionnelles de débit
La série Parker DF122C est une valve proportionnelle de débit normalement fermée. La documentation Parker consultée indique, pour la version référencée, un débit jusqu’à 53 L/min à pleine ouverture et une pression d’entrée maximale de 210 bar. Elle fournit aussi des courbes de perte de charge, de débit en fonction de la pression d’entrée et de débit en fonction du signal de commande.
3. Valves de distribution à action proportionnelle
Il existe trois types de valves de distribution à action proportionnelle :
- À commande directe
- Avec compensation de charge
- Piloté
3.1 Distributeur proportionnel à commande directe
Le distributeur à effet proportionnel reprend, d’un côté, la conception du limiteur de débit à effet proportionnel ; de l’autre, un second électro-aimant a été ajouté. Le tiroir de distribution porte, de façon symétrique, des fentes de progressivité.
Le tiroir est centré par deux ressorts de rappel et permet de travailler dans deux quadrants. Le symbole ci-dessus est celui d’un distributeur 4/3.
Le passage d’une position à l’autre se fait de façon continue. Le captage de la position du tiroir est réalisé par un seul capteur qui balaie toute la course du tiroir. La carte électronique comporte tous les composants nécessaires au bon traitement du signal de puissance qui va vers le second électro-aimant.
3.2 Distributeur proportionnel avec compensation de charge
Le débit de fluide passant par la section de passage ouverte par le tiroir du distributeur proportionnel est soumis, comme dans le cas d’un simple étranglement, aux influences de la perte de charge ΔP qu’il engendre. Si les effets des variations de pression d’alimentation et ceux induits par les fluctuations du couple du récepteur doivent être compensés, il faut doter le distributeur proportionnel d’une valve balance de pression.
L’assemblage du restricteur de mesure — formé par la section de passage variable du tiroir du distributeur — et de la balance de pression constitue une fonction de régulateur de débit bidirectionnel.
Le schéma ci-dessous montre un montage destiné à l’alimentation d’un vérin entraînant une charge variable. Les pressions régnant de part et d’autre du piston du vérin sont captées au travers d’une valve de sélection.
3.3 Distributeur proportionnel piloté
Pour contrôler des débits plus importants, on utilise la technologie éprouvée dans la gamme des distributeurs conventionnels, c’est-à-dire le pilotage.
L’étage principal est constitué par un distributeur de taille NG 16 ou NG 25, dont les arêtes de distribution du tiroir ont été adaptées aux impératifs du proportionnel. L’étage pilote, de taille NG 6, est animé par deux électro-aimants à action proportionnelle qui font adopter à son tiroir les quatre positions de commande.
La pression de pilotage, avant d’être introduite dans l’étage pilote, est tout d’abord acheminée vers l’étage de limitation de pression. Si la pression dépasse le seuil préétabli par le tarage du limiteur, celui-ci laisse s’échapper l’excédent de pression vers l’orifice de drainage Y ou vers l’orifice T, selon que l’on a appliqué le drainage externe ou interne du composant.
Le dessin met en œuvre un circuit de pilotage externe X et un drainage externe également Y. Sur le tiroir principal apparaissent clairement les fentes de progressivité ainsi que les rainures circulaires d’équilibrage et de dégommage du tiroir principal. Ces rainures ont toute leur importance car, conjuguées avec le courant de Dither, elles contribuent à la dynamique de la valve.
4. Solutions Parker pour la distribution proportionnelle
Parker propose des distributeurs proportionnels directs et pilotés. Les séries D31FB, D41FB, D91FB et D111FB à électronique embarquée constituent une famille de distributeurs proportionnels pilotés. Selon la référence Parker consultée, les tailles vont notamment de NG10 à NG32. Une référence NG16 consultée est donnée pour 200 L/min et jusqu’à 350 bar, avec une commande 0 à ±20 mA ; ces valeurs sont propres à la configuration consultée et ne doivent pas être généralisées à toute la gamme.
Distributeurs proportionnels à commande directe – Parker D1FP / D3FP
Distributeurs proportionnels pilotés – Parker D31FB / D41FB / D91FB / D111FB
5. Comparaison des architectures
| Architecture | Fonction | Élément principal | Application indicative |
|---|---|---|---|
| Limiteur de débit proportionnel direct | Réglage progressif du débit | Électro-aimant + tiroir | Commande de vitesse |
| Régulateur de débit proportionnel | Débit plus stable face aux variations de ΔP | Restricteur + balance de pression | Charges variables |
| Distributeur proportionnel direct | Direction + débit | Deux électro-aimants + tiroir | Débits modérés |
| Distributeur avec compensation | Direction + débit compensé | Tiroir + balance de pression | Charges variables |
| Distributeur proportionnel piloté | Direction + grands débits | Étage pilote + étage principal | Débits élevés |
6. Critères de sélection
- Débit requis et taille nominale.
- Pression maximale et perte de charge disponible.
- Amplitude des variations de charge et besoin de compensation.
- Type de commande électrique : courant, tension ou PWM selon la technologie.
- Besoin de rétroaction de position et d’électronique embarquée.
- Dynamique recherchée : progressivité, hystérésis, temps de réponse et Dither.
- Filtration, viscosité et compatibilité du fluide.
- Standard de montage : cartouche, CETOP/ISO, plaque, pilotage et drainage.
7. Conclusion
Les valves proportionnelles de débit et de distribution permettent une commande électrohydraulique progressive des actionneurs : étranglement proportionnel, régulation avec balance de pression, distribution proportionnelle directe, compensation de charge, puis pilotage pour les débits importants.
La gamme Parker complète cette architecture avec des valves proportionnelles de débit et des distributeurs proportionnels directs ou pilotés, certaines références intégrant l’électronique de commande.
Sami Rekik
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