Dans cet article, nous verrons comment fonctionne un limiteur de pression (soupape de sûreté) piloté et pourquoi il est souvent choisi pour les applications à haute pression et à haut débit.
Ce modèle peut admettre un débit plus important vers le réservoir avec moins de pertes de charge. Lorsqu’il est en opération, il est très silencieux. Il est d’installation simple et rapide d’accès pour le dépannage.
On préfère alors installer des modèles dits « pilotés à piston équilibré ». Un limiteur de pression normal assure la même fonction en commandant un tiroir de distributeur de forte section.
Le 𝜟( ⍴ouverture − ⍴maxi) est alors également diminué (figure ci-dessous).
Qu'est-ce qu'une soupape de sûreté équilibrée et pilotée ?
Une soupape de sûreté équilibrée se compose d'un clapet principal et d'un clapet pilote. Le clapet principal reçoit la même pression en haut et en bas, de sorte que la pression supplémentaire minimale exercée par le ressort suffit à le maintenir fermé.
Les avantages d'une soupape équilibrée à commande pilote sont les suivants :
- Une très faible surcharge de pression.
- Elle maintient le système à une pression plus constante.
- Elle crée moins de chaleur.
Une soupape de sûreté équilibrée et pilotée est un bon choix pour les applications à haute pression et à haut débit.
Bien que le nom correct de cette soupape soit « soupape de sûreté équilibrée pilotée », il est un peu redondant, puisque toutes les soupapes de sûreté équilibrées doivent être pilotées.
Symboles schématiques
Bien que de nombreux schémas indiquent encore un symbole de soupape de sûreté simple pour une soupape de sûreté équilibrée et pilotée, un symbole plus complet et plus précis pourrait ressembler à l'un des schémas ci-dessous.
Comment cela fonctionne
Lorsque le fluide pénètre dans une soupape de sûreté de type équilibré, il agit à la fois sur le haut et le bas du clapet principal, d'où le nom « équilibré ». La surface est la même en haut et en bas du clapet.
Peu importe le niveau de la pression : tant qu'elle est la même sur le dessus et le dessous du clapet, celui-ci restera fermé. La force supplémentaire exercée par le ressort (environ 50 psi) est suffisante pour maintenir le clapet fermé en fonctionnement normal.
Il existe une relation mathématique directe entre la pression d'un système hydraulique, la surface du composant entraîné et la force que le système est capable de transférer.
La formule Force = Pression × Surface est communément exprimée par le triangle FPA.
Tant que la force est la même en haut et en bas du clapet principal, avec la force supplémentaire du ressort en haut, il restera fermé.
La force du ressort du clapet principal détermine la surpression d'une soupape de sûreté équilibrée et pilotée.
Cela signifie que si vous devez pouvoir travailler avec une pression allant jusqu'à 1000 psi dans votre système, vous n'avez qu'à régler la pression de décharge à plein débit à 1050 psi (si le ressort du clapet principal est équivalent à 50 psi). Avec une soupape de sûreté à action directe, moins efficace, la pression de tarage doit être réglée à une valeur comprise entre 1300 et 1500 psi.
Comment la soupape s'ouvre-t-elle exactement ?
Pour illustrer pas à pas son fonctionnement, voici une soupape de sûreté équilibrée, actionnée par un pilote, représentée sous forme de schéma et de coupe graphique.
La pression de décharge est réglée à 750 psi et la pression du système est actuellement de 550 psi : la soupape reste donc fermée.
La pression de décharge est la pression maximale du système dans des conditions de fonctionnement normales et lorsque tout le débit de la pompe passe par la soupape de sûreté.
La pression de tarage est la pression du système à laquelle une soupape de sûreté a commencé à laisser passer le débit.
Lorsque la charge du moteur augmente et que la pression du système s'approche du réglage de la soupape de sûreté, le clapet pilote devient le chemin le plus facile et se fissure. Lorsque le clapet pilote se détache, la pression chute sur le côté supérieur du clapet principal. Cette chute de pression se produit en raison de l'orifice d'équilibre entre la section principale et la section pilote.
Le faible ressort de 50 psi ne peut plus maintenir le clapet principal fermé : il se fissure et commence à décharger vers le réservoir.
Cela se produit parce que la pression de fissuration, dans cet exemple, est inférieure de 50 psi au réglage actuel de la pression de décharge. Lorsque la pression du système s'approche du réglage de la pression de décharge, la valve s'ouvre partiellement et divise le débit. Le moteur ralentit en conséquence.
La soupape de sûreté s'ouvre de plus en plus au fur et à mesure que la pression du système augmente, de la pression d'amorçage initiale jusqu'à la pression de réglage.
Lorsque la pression de décharge est atteinte, la soupape de sûreté est complètement ouverte et renvoie tout le débit de la pompe vers le réservoir. Le moteur s'arrête alors.
Le dépassement de pression fait référence à la plage entre la pression de tarage et le réglage de la pression de décharge.
Dans cet exemple, la surpression est de 50 psi. Toutes les soupapes de sûreté ne sont pas identiques.
Avantages d'une surpression étroite
D'une manière générale, une soupape de sûreté de type équilibré présente une différence beaucoup plus faible entre la pression de tarage et le réglage réel de la soupape qu'une soupape de sûreté à action directe.
Le dépassement de pression est déterminé par la valeur fixe du ressort sur le clapet principal, qui est de 50 psi dans ce cas. Il peut être aussi bas que 20 psi.
La section pilote est dotée d'un ressort rigide, mais cela ne crée pas de problème de dépassement de pression élevé comme c'est le cas avec une soupape de sûreté à action directe. En effet, la valeur de dépassement est déterminée par le ressort le plus souple situé au-dessusdu clapet principal. Le débit dans la section pilote est très faible : une fraction de l/min, et une infime fraction de gpm.
Une marge de dépassement de pression étroite est importante pour deux raisons :
- La soupape de sûreté peut être réglée juste un peu plus haut (50 psi dans cet exemple) que la pression de service la plus élevée nécessaire dans le système. Cela signifie que le système est plus sûr, qu'il consomme moins d'énergie et qu'il produit moins de chaleur.
- Le système maintient une pression relativement constante lorsque la soupape de sûreté est ouverte et que le fluide passe dans le réservoir.
Commande pilote externe
Vous avez peut-être remarqué que certains orifices de mise à l'air libre sont bouchés sur la soupape de sûreté équilibrée à commande pilote. À quoi servent ces orifices ?
Des commandes pilotes externes peuvent être raccordées à ces orifices de mise à l'air libre. Il s'agit d'une configuration populaire pour tout système où le poste de l'opérateur se trouve à une certaine distance de la soupape de sûreté principale, ou lorsque les plages de pression nécessitent des changements fréquents.
En raccordant une soupape de sûreté à action directe à l'orifice de mise à l'air libre de la soupape de sûreté principale, il est possible de contrôler la pression du système à distance.
La pression maximale du système sera déterminée par la soupape de sûreté à distance lorsqu'elle est réglée à un niveau inférieur à celui de la soupape de sûreté interne.
Ce dispositif comporte trois soupapes de sûreté à distance réglées à des valeurs de pression inférieures à celles de la soupape d'origine. Lorsque l'une des trois valves à commande électromagnétique s'ouvre, la soupape de sûreté correspondante détermine la pression du système.
Dans cet exemple, le système se détend à 3000 psi.
Dans cet exemple, lorsque la valve à commande électromagnétique est ouverte, la section pilote à ressort est contournée. Cela permet à la soupape de sûreté de fonctionner comme un dispositif de décharge, en tombant à une pression proche de zéro.
La résistance du ressort du clapet principal détermine la pression du système dans cet état, qui est probablement de 50 psi.
Certaines soupapes de sûreté permettent des schémas de pilotage à distance uniques.
Dans ce cas, le drain interne de la soupape de sûreté principale a été bouché. Les réglages de la soupape de sûreté de l'opérateur à distance se combinent aux réglages de la soupape de sûreté principale pour déterminer la pression maximale du système.
Quelle que soit la disposition des pilotes, le fluide suivra toujours le chemin de moindre résistance.
Sami Rekik