Qu’attend-on de la distribution?

Richard Hacker, ACE, Accent Contrôles Électroniques Inc.
Collaboration spéciale

 

Le premier article de cette série, traitait des choix de la pompe hydraulique. Cet article explique pourquoi ce choix est déterminant dans la conception du circuit et le choix des valves.

Le système de distribution hydraulique sur un véhicule de déneigement assure la répartition de la puissance de la pompe vers les actuateurs (moteurs ou vérins hydrauliques) qui assurent les mouvements des équipements. La distribution doit permettre :

  • de faire fonctionner deux ou plus de vérins de grattes sans influencer les moteurs de l’épandeuse qui doivent continuer à fonctionner normalement ;
  • une opération rapide des vérins, typiquement aux alentours de 3 à 5 s pour une extension complète ;
  • mais aussi, un contrôle de vitesse précise pour chaque vérin. Dans le meilleur des mondes, cette vitesse devrait être indépendante pour chacun d’eux.

Mais l’acheteur a aussi d’autres critères :

  • la simplicité des composantes pour les rendre les plus fiables et les moins fragiles à la contamination possibles ;
  • la réduction du nombre de boyaux autant que possible pour diminuer l’encombrement et l’entretien ;
  • la compacité et la limitation du poids ;
  • la réduction de la consommation de carburant ; et bien sûr,
  • le coût le plus faible possible.

Un peu d'histoire
À la fin des années 60, une équipe d’ingénieurs se pencha sur les avantages et les inconvénients des systèmes hydrauliques. Il existait à l’époque deux grandes catégories.

Système à débit constant et pression variable – un tel système hydraulique, dit à centre ouvert, est alimenté par une pompe à déplacement fixe qui produit un débit constant d'huile. Il utilise des valves à centre ouvert qui permettent à l’huile de circuler entre la pompe et le réservoir lorsqu'elles sont au neutre. La pression dans le système est variable. Elle est dictée par la résistance au débit dans le circuit. Une soupape de sécurité haute pression est nécessaire pour contrôler la pression maximale. Quand le système atteint sa pression maximale, tout le débit est évacué à travers la soupape de sécurité, consommant un excès de puissance et produisant de la chaleur dans le système.

Système à débit variable et pression constante – un tel système, appelé à centre fermé, est alimenté par une pompe produisant entre zéro et le maximum de débit, mais qui maintient toujours la même pression. Il utilise des valves à centre fermé qui empêchent l’huile de circuler entre la pompe et le réservoir lorsqu’elles sont au neutre. La pression maximale est contrôlée par le compensateur de la pompe qui diminue le débit de la pompe afin de ne pas dépasser cette pression. Ceci élimine le besoin d’une soupape de surpression.

Avantage – seule l’huile requise pour le travail est déplacée.
Inconvénient – la pompe essaie de maintenir une haute pression dans toutes les conditions. Certaines fonctions requièrent des hauts débits avec une faible pression de travail. Dans ces conditions, il y a une baisse de pression dans le système qui génère de la chaleur consommatrice d'énergie durant ce processus.

Comment assurer un débit et une pression variables ?
Aucun des deux systèmes de base ne permettait une pression et un débit variables. Les ingénieurs cherchaient un système idéal ne produisant que le débit strictement requis, à la pression requise pour opérer les fonctions demandées. Ils combinèrent les avantages des deux systèmes. Mais cette solution impliquait de développer une nouvelle pompe qui pouvait délivrer à la demande et simultanément un débit et une pression variables. De toute évidence, la pompe idéale de base pour alimenter un tel système était une pompe à piston variable, mais comment faire pour qu'elle soit capable d'ajuster les deux variables en même temps?

Un ingénieur du projet développa un compensateur de pompe à piston qui pouvait gérer en même temps les besoins variables en débit et en pression. Techniquement, son nom devait être «pompe à piston à pression et débit compensés». Par simplicité on a retenu le terme «pompe load sensing» ou «pompe à détection de charge».

Dès les années 70, ces circuits se sont imposés dans la machinerie lourde.

Avènement de l’électronique
Les progrès de l’électronique dans les années 90 ont permis de mettre au point des systèmes hydrauliques extrêmement performants pour la machinerie de travaux publics comme les pelles hydrauliques. Le pilotage des régulateurs et des fonctions est désormais assuré par signaux électroniques et des microprocesseurs. Ainsi cette machinerie a pu atteindre un niveau de performance sans égal, mais au prix de l’ajout d’un système de contrôle électronique sophistiqué. Une solution parfaitement adaptée si les demandes hydrauliques sont continues et très variables mais probablement trop perfectionnée pour les besoins du déneigement.

Évolution dans le déneigement
Dans le déneigement, l’évolution a été plus lente. La demande hydraulique étant somme toute modeste, les conditions d’utilisation extrêmes, le besoin de fiabilité maximale et les difficultés de maintenance commune ont conduit à un comportement très prudent des acheteurs.

Circuit type pour pompe double à débit fixe
À la fin des années 70, avec l’avènement des contrôleurs électroniques, la pompe double a progressivement remplacé la pompe simple. Dans les montages les plus courants, deux circuits indépendants partagent le boîtier de la pompe et le réservoir. La première pompe débite dans une valve sectionnelle à tiroirs pour les équipements à neige, la deuxième pompe décharge dans une valve à cartouches pour l’épandeuse. Pour obtenir un temps de levage acceptable des bennes 4 saisons, on combine les deux pompes pour alimenter une autre valve à tiroir dédiée à cette fonction.

Valves à utiliser – des valves à centre ouvert sont obligatoires pour permettre à l’huile de circuler entre la pompe et le réservoir quand le système est au neutre. Les valves à tiroir pour pompes à débit fixe sont simples, fiables et peu dispendieuses. La taille de la valve est déterminée par le débit maximal de la pompe – une valve trop petite va causer des problèmes de surchauffe, mais une grande valve va réduire la précision de mouvements. Il est difficile de jumeler grande taille avec précision, sans tomber dans des artifices compliqués et fragiles. Si on veut combiner deux pompes il faut une taille de valve capable de faire passer les deux débits.

Avantage – fonctionnement sans interaction entre l’épandeuse et les grattes.

Inconvénients – plusieurs fonctions simultanées, peuvent s’influencer mutuellement et nuire à la précision des mouvements ; beaucoup de boyaux et d’encombrement ; dispendieux en carburant durant l’utilisation. En effet, chaque révolution de la pompe pousse, à l’année longue, une quantité d’huile déterminée à travers les valves vers le réservoir ou les actuateurs. Touchez au réservoir, sa température vous dira à quoi sert le carburant que le camion brûle!

Circuit type pour pompe à piston
Depuis 25 ans, le marché propose un nouveau type de circuit, alimenté par une pompe à piston à débit variable à détection de charge, qui utilise une ou plusieurs valves à détection de charge.

Depuis 2006, une variante de ce circuit utilise une valve qui combine des fonctions de détection de charge et des fonctions opérées en mode «pression compensée».

Valves à utiliser - Toutes les valves utilisées avec des pompes à débit variable sont du type centre fermé. Des valves de grandeurs différentes sont utilisables avec une seule pompe. Des valves à petit débit peuvent être utilisées pour les fonctions demandant peu de vitesse et beaucoup de finesse, tout en permettant l’usage de grandes valves pour de hauts débits.

Avantage – la pompe débite sur demande seulement, mais possède une capacité potentielle beaucoup élevée que n’importe quelle pompe à débit fixe. Ces performances sont donc largement supérieures, surtout à bas régime du moteur. Son efficacité accrue se traduit par des économies de carburant.

Inconvénients – la pompe et les valves à détection de charge sont plus complexes et dispendieuses que leurs équivalents pour circuit ouvert. La complexité accrue demande une meilleure filtration alors que les responsables de l’entretien sont souvent peu familiers avec les précautions à prendre.

L’utilisation de valves pour circuit à pression compensée pour les fonctions intermittentes élimine une grande partie des inconvénients.

Types de valves
Valve à tiroir – un tiroir se déplace à l’intérieur d’un boîtier d’acier pour contrôler l’écoulement de l’huile. Ces valves sont utilisées préférentiellement pour la manœuvre des vérins. Ainsi, les vérins des équipements à neige sont pratiquement toujours opérés par des valves de ce style.

Valve à cartouches – ces valves sont utilisées pour les moteurs hydrauliques. Chaque cartouche est conçue pour remplir une fonction spécifique. Plusieurs cartouches sont assemblées dans des blocs conçus et machinés pour remplir les fonctions requises. L’exemple classique est la valve pour épandeuse avec contrôleur électronique : contrôle du convoyeur et du tourniquet, limitation de la pression, évacuation du surplus d’huile.

Valve à centre ouvert – une valve pour circuit à centre ouvert est constituée habituellement de deux composantes principales. Dans un boîtier d’acier un tiroir se déplace et dirige l’huile. Au neutre l’huile circule autour du tiroir en arrivant de la pompe et en s’en allant vers le réservoir. Quand on l’actionne, le passage du neutre est obstrué et l’huile dirigée vers le cylindre. Chaque fonction demande un tiroir, et plusieurs peuvent être intégrés dans un seul boîtier. D’autres composantes assurent le centrage du tiroir, limitent la pression et assurent l’actuation et l’étanchéité.

Valve à centre fermé à détection de charge «load sensing» – une valve à détection de charge a des passages supplémentaires, un comportement auto-piloté (on parle de valve logique) et, souvent, des compensateurs de pression intégrés, ce qui rend cette valve plus compliquée, plus fragile et plus dispendieuse. Mais, du fait de son efficacité remarquable, elle est idéale pour toute fonction continue.

Une valve à détection de charge dans sa position neutre bloque le chemin d’huile entre la pompe et les sorties tout en ouvrant le passage load sensing au réservoir.

Valves pour circuit à pression compensée – dans un circuit à pression compensée, la pompe essaie de toujours maintenir une pression préajustée. Les valves ont exactement les mêmes composantes qu’une valve pour pompe à débit fixe, mais sont plus petites pour le même débit et usinées différemment à l’intérieur. La précision des mouvements se compare avantageusement avec celles pour pompes à débit fixe, les opérations simultanées ne s’influencent pas en autant que les charges sont constantes comme dans une gratte, et le prix à l’achat est probablement le moins cher de toutes les sortes de valves. Leur seul inconvénient est une faible efficacité énergétique mais, pour des fonctions intermittentes, cette faiblesse est tolérable.

Bloc hydraulique
Intégrer toutes les valves dans un seul bloc hydraulique permet de limiter au maximum le nombre et la longueur des boyaux ainsi que l’entretien qui en découle. Si ce bloc est compact, il est facilement logeable derrière la cabine du camion.

Conclusion
Aujourd’hui, la pompe à débit variable s’impose pour obtenir un système hydraulique performant et efficace. Ceci accepté, une combinaison de valves à détection de charge ou «load sensing» pour les fonctions continues (épandeuse) et de valves à pression compensée pour les fonctions intermittentes (les grattes et la benne), le tout dans un seul assemblage, offre le meilleur compromis possible.

Le choix de la pompe détermine le choix des valves, donc les performances de distribution de la puissance hydraulique dans les divers équipements. La définition précise de ces performances est donc l’étape préalable à tout appel d’offre pour un camion d’hiver. Les propositions des fournisseurs pourront alors être évaluées à partir des performances exigées.

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