En hydraulique, il est souvent utilisé un système de couplage des vérins, tel que deux chambres, de deux vérins respectifs, soient reliées directement l'une à l'autre. Ces chambres n'ont en principe aucune liaison avec le reste du circuit hydraulique. Elles se contentent de se transférer un volume de liquide hydraulique de l'une à l'autre alternativement, lorsque le reste du circuit remplit la chambre non communiquante du vérin contenant le liquide hydraulique. Lorsque un tel couplage est utilisé, on appelle cela une mise en série de vérins. La fig. 1 montre trois vérins disposés en série.
Le type de couplage série est employé par les techniciens du domaine hydraulique pour deux raisons principales.
La première raison est économique. La mise en série permet la limitation du nombre des pompes hydrauliques à une et une seule, quelque soit le nombre de vérins utilisés. Il est cependant possible que pour d'autres raisons, il soit décidé d'employer plusieurs pompes. On peut citer, par exemple, les problèmes occasionnés par les accroissements de pression apparaissant dans les tubes reliant deux chambres couplées comme décrit dans le paragraphe précédent.
La seconde raison est technique. Le fait de placer plusieurs vérins en série, conduit à une synchronisation de ceux-ci, si les volumes des chambres se transférant le liquide est identique.
La mise en série décrite ci-dessus reste très théorique. Dans le cadre d'une application pratique, on peut citer trois problèmes principaux apparaissant dès que l'on souhaite installer deux ou plusieurs vérins en série.
1) Il est nécessaire, à l'installation de la machine et lors des vidanges, d'effectuer le remplissage de ces volumes séparés du reste de l'environnement hydraulique de i'appareil.
2) Les volumes respectifs maximum de deux chambres reliées pour créer un couplage série sont rarement identiques. Ceci provoque une sous-exploitation de la course du vérin possédant la chambre la plus grande.
3) Les segments placés autour du piston, assurant l'étanchéité entre les deux chambres du vérin, ne sont pas parfaits. Un certain flux indésirable se crée donc entre les deux chambres.
Il est donc impossible de conserver tout le liquide hydraulique au sein des deux chambres séparées du reste du réseau, sans qu'une partie du liquide ne s'écoule en direction du réservoir de la pompe. Cette imperfection conduit à la diminution de la course des vérins.
Pour résoudre les trois problèmes cités ci-dessus, les techniciens ont admis la nécessité de relier les groupes de chambres indépendantes au reste du circuit, au travers de systèmes de compensation. Ces derniers étant chargé d'évacuer les trop plein de liquide hydraulique et d'apporter du liquide lors d'un manque.
Pour permettre une bonne synchronisation entre les différents vérins, la compensation du volume d'huiles n'est pas suffisante. Il faut encore s'assurer que les volumes maximum des paires accouplées soient quasiment identique. On peut distinguer deux cas.
1) Une chambre de grand volume, pleine de liquide hydraulique, est reliée à une chambre beaucoup plus petite. La chambre de petit volume sera remplie très rapidement et son piston sera en bout de course alors que la grande chambre n'aura pas encore évacuer toute son huile. L'excédent sera renvoyé au réservoir de la pompe au travers du "système de compensation" pendant que le piston du vérin ayant une grande chambre termine sa course.
2) Une chambre de petit volume, pleine de liquide hydraulique, est reliée à une chambre beaucoup plus grande. La chambre de petit volume déversera tout le liquide dans la grande chambre.
Le piston de la petite chambre sera en bout de course alors que la grande chambre n'aura pas encore reçu assez d'huile pour assurer le déplacement total de son piston. Le manque d'huile sera envoyé dans le circuit par la pompe, et atteindra la grande chambre au travers du "système de compensation".
On voit donc que dans les deux cas une grande différence de volume provoque une désynchronisation des vérins. Le vérin au quel appartient la petite chambre atteindra le bout de sa course bien avant l'autre.
Avant de poursuivre la description, il est nécessaire de définir ce qu'est un inverseur hydraulique. De par la construction des vérins, il est nécessaire de changer le sens du liquide hydraulique lorsque le piston atteint l'extrémité du vérin. Pour cela on profite de l'augmentation de pression due au fait que les chambres sont pleines et que la pompe continue à vouloir fournir de l'huile. A un seuil fixé par réglage l'inverseur changera la direction du liquide. L'inverseur hydraulique doit donc être régié de manière à supporter la pression de marche sans produire d'inversion de marche, mais de manière à commuter avant la destruction d'un élément de la chaîne.
En ce qui concerne les "systèmes de compensation", les techniciens utilisent habituellement, pour compenser les volumes de liquide hydraulique contenus dans les chambres indépendantes, un principe faisant appel à des vannes de limitation de pression.
Les "systèmes de compensation" doivent être réglés de manière à ce qu'ils ne laissent pas passer de liquide lorsque les vérins se déplacent (sans quoi il seraient court-circuité). Par contre ils doivent laisser passer le liquide à une pression inférieure à celle qui régnera à l'endroit ou se trouve le compensateur lorsque la pression d'inversion sera atteinte sur l'inverseur. De cette manière le compensateur s'ouvrira permettant à la suite du circuit de réguler son volume d'huile.
Dans la pratique ces vannes de limitation de pression sont fixées parallèlement au vérin et raccordées au deux entrées du vérin. Ce montage pose des problèmes économiques et techniques.
1) Les vannes de limitation de pression sont chères.
2) Il est nécessaire d'utiliser du tube hydraulique supplémentaire.
3) Sur chaque entrée raccordée à une vanne, il est nécessaire de placer un raccord en "T".
4) La liaison ainsi crée peut être arrachée si elle ne se trouve pas dans un logement garanti.
5) Le réglage des vannes demande une grande expérience. Donc du personnel qualifié.
Le compensateur selon l'invention définit à la revendication 1 pallie au défauts cités ci-devant. Il est également basé sur une liaison entre les deux chambres d'un même vérin.
L'invention sera mieux comprise, si la lecture de la description se fait en regard des figures représentant une forme d'exécution et différentes disposition:
fig. 1 représente trois vérins montés en série
fig. 2 représente une forme d'exécution de l'invention
fig. 3 représente deux vérins montés en série avec compensation
fig. 4 représente une autre disposition de la compensation
fig. 5 représente une disposition de la compensation à trois vérins
fig. 6 représente une disposition de la compensation à quatre vérins
Remarque:
Sur les figures tous les vérins se trouve dans la même position. Compte tenu du compensateur, ceux-si se synchroniseraient d'eux-même après quelques cycles.
La position des vérins n'a de toute manière pas d'importance pour la compréhension et cela simplifie les figures.
La fig. 2 montre une exécution possible de liaison entre les deux chambres d'un vérin selon l'invention et sert de support à l'explication de l'invention.
La compensation est permise lorsque le piston (3) est en bout de course. Les orifices (7; 8) se trouvent alors de part et d'autre du piston. On a donc les orifices dans les chambres (2; 4) respectivement. Les deux chambres sont reliées par un canal de liaison (6), qui est entouré par une cage (5). Sur cette exécution on a placé une vis de réglage (9) destinée à fixer la résistance du canal (6) au passage du liquide hydraulique. On peut finalement distinguer le corps du vérin (1).
Pour simplifier l'explication on suppose un cas où le vérin de la fig. 2 est relié directement à la pompe hydraulique sur ses deux entrées.
Par pression nulle, il faut comprendre pression atmosphérique. Soit pas de surpression.
Admettons que la pompe déverse de l'huile dans la chambre (4), le piston (3) étant en bout de course. La pression dans la chambre (2) est nulle. On simule ainsi une situation ou la chambre (2), ou une des chambres du réseau, a besoin d'huile. Il faut donc que le liquide hydraulique traverse le compensateur sans que la pression dans la chambre (4) soit suffisante pour produire l'inversion du sens de marche de la pompe. En fait la pression régnant dans la chambre 4 sera proportionnelle à la résistance crée par la vis (9).
Dans notre modèle le liquide s'écoule perpetuellement au travers du compensateur. Dans un appareil, on aurait une augmentation de pression, provoquant l'inversion, dès que les chambres suivant la chambre (2) auront été compensées.
L'inverseur hydraulique ayant commuté, c'est la chambre (2) qui est alimentée en huiIe.
La différence de pression entre la chambre (2) et la chambre (4j doit être suffisante pour permettre le déplacement du piston (3). Il faut donc régler la vis (9) de manière à ce que une partie seulement du liquide puisse s'écouler au travers du compensateur. Dès lors le piston va se déplacer et dans un premier temps obstruer l'orifice (7), ce qui va interdire toute compensation. Plus tard les deux orifices (7; 8) se retrouveront dans la même chambre. Il ne se produira alors plus aucune compensation non plus car la pression sera égale sur les deux orifices (7; 8).
De l'explication ci-devant, on peut conclure que la résistance au passage du liquide occasionnée par la vis (9) doit se situer entre un minimum et un maximum. Elle doit avoir une résistance assurant une différence de pression, entre les chambres (2; 4), permettant au piston (3) de se déplacer. Elle doit avoir une résistance assurant le passage du liquide sans inversion de la pompe lorsque le piston est en bout de course.
Pour coupler deux vérins en série, il est nécessaire de placer deux compensateurs. Le premier pour assurer l'évacuation du trop plein et le second pour assurer l'alimentation lors d'un manque d'huile. Les fig. 3 et 4 montrent les deux possibilités existant de placer deux compensateurs lorsque l'on a deux vérins en série.
La fig. 3 montre la disposition idéale. En effet le liquide ne peut pas suivre un cheminement créant une boucle où le liquide sort du réservoir et vient s'y rejeter sans que les vérins ne se déplacent.
La fig. 4 montre la disposition à éviter. En effet si les pistons se trouve simultanément en bout de course du côté des compensateurs, il se peut que l'huile sorte du réservoir, passe le compensateur, rentre dans le second vérin, passe le second compensateur et se jette dans le réservoir. Dans ce cas la pompe ne s'inversera pas et le liquide continuera indéfiniment à effectuer la boucle. En fait cette configuration est possible, mais très difficile à régler.
Remarque:
Si l'on place plus de deux compensateurs pour deux vérins mis en série, on se retrouvera obligatoirement dans une situation analogue à celle de la fig. 4. Par contre, si on ne plaçait qu'un compensateur, il manquerait la compensation soit du trop plein soit du manque de liquide, en fonction de la position du compensateur. Le principe est extensible à plus de deux vérins placés en séries. La fig. 5 montre un exemple avec 3 vérins et la fig. 6 un exemple avec 4 vérins.
On peut constater que la position des compensateurs n'est pas unique pour obtenir une installation optimale. Cependant il serait bon de respecter deux principes nécessaires pour éviter la situation décrite pour la fig. 4. (Cycle perpetuelle de liquide dans le réseau, sans qu'il n'y ait un seul mouvement des pistons.)
1) Il doit y avoir un compensateur sur chaque entrée de vérin, sauf 2 entrées qui ne doivent pas avoir de compensateurs:
nombre de compensateurs = 2 * nombre de vérins - 2
2) Les deux entrées sans compensateur devrait se trouver sur le même vérin.
Cela garantit qu'aucune position des pistons ne puisse conduire à une boucle infinie où la pompe ne s'inverserait plus.
In hydraulics, a cylinder coupling system is often used, such that two chambers, of two respective cylinders, are connected directly to each other. These chambers have in principle no connection with the rest of the hydraulic circuit. They simply transfer a volume of hydraulic fluid from one to the other alternately, when the rest of the circuit fills the non-communicating chamber of the jack containing the hydraulic fluid. When such a coupling is used, this is called a series of cylinders. Fig. 1 shows three cylinders arranged in series.
The type of series coupling is used by technicians in the hydraulic field for two main reasons.
The first reason is economic. The serialization allows the number of hydraulic pumps to be limited to one and only one, regardless of the number of cylinders used. However, it is possible that for other reasons it may be decided to use several pumps. We can cite, for example, the problems caused by the pressure increases appearing in the tubes connecting two coupled chambers as described in the previous paragraph.
The second reason is technical. The fact of placing several jacks in series, leads to a synchronization of these, if the volumes of the chambers transferring the liquid is identical.
The serialization described above remains very theoretical. Within the framework of a practical application, there can be mentioned three main problems appearing as soon as one wishes to install two or more cylinders in series.
1) It is necessary, when installing the machine and during oil changes, to fill these volumes separated from the rest of the hydraulic environment of the device.
2) The respective maximum volumes of two chambers connected to create a series coupling are rarely identical. This causes the stroke of the cylinder having the largest chamber to be underused.
3) The segments placed around the piston, ensuring the seal between the two chambers of the jack, are not perfect. A certain undesirable flow is therefore created between the two chambers.
It is therefore impossible to keep all the hydraulic fluid in the two chambers separated from the rest of the network, without a part of the fluid flowing towards the pump reservoir. This imperfection leads to a reduction in the stroke of the jacks.
To solve the three problems mentioned above, the technicians admitted the need to connect the groups of independent rooms to the rest of the circuit, through compensation systems. The latter being responsible for evacuating the overflow of hydraulic fluid and supplying liquid in the event of a shortage.
To allow good synchronization between the different cylinders, the compensation of the volume of oils is not sufficient. It must also be ensured that the maximum volumes of the paired pairs are almost identical. We can distinguish two cases.
1) A large volume chamber, full of hydraulic fluid, is connected to a much smaller chamber. The small volume chamber will be filled very quickly and its piston will be at the end of its travel while the large chamber will not yet have evacuated all its oil. The excess will be returned to the pump reservoir through the "compensation system" while the cylinder piston having a large chamber ends its stroke.
2) A small volume chamber, full of hydraulic fluid, is connected to a much larger chamber. The small volume chamber will pour all the liquid into the large chamber.
The piston of the small chamber will be at the end of its travel while the large chamber will not yet have received enough oil to ensure the total displacement of its piston. The lack of oil will be sent into the circuit by the pump, and will reach the large chamber through the "compensation system".
It can therefore be seen that in both cases a large difference in volume causes the cylinders to be desynchronized. The cylinder to which the small chamber belongs will reach the end of its travel well before the other.
Before continuing the description, it is necessary to define what a hydraulic reverser is. Due to the construction of the cylinders, it is necessary to change the direction of the hydraulic fluid when the piston reaches the end of the cylinder. For this we take advantage of the pressure increase due to the fact that the chambers are full and that the pump continues to want to supply oil. At a threshold set by adjustment the inverter will change the direction of the liquid. The hydraulic inverter must therefore be regulated so as to withstand the running pressure without producing a reverse gear, but so as to switch before the destruction of an element of the chain.
As far as "compensation systems" are concerned, technicians usually use a principle using pressure limiting valves to compensate for the volumes of hydraulic fluid contained in the independent chambers.
The "compensation systems" must be adjusted so that they do not allow liquid to pass when the cylinders move (otherwise they would be short-circuited). On the other hand, they must allow the liquid to pass at a pressure lower than that which will prevail at the place where the compensator is when the reversing pressure is reached on the reverser. In this way the compensator will open allowing the rest of the circuit to regulate its oil volume.
In practice, these pressure limiting valves are fixed parallel to the cylinder and connected to the two inputs of the cylinder. This assembly poses economic and technical problems.
1) Pressure limiting valves are expensive.
2) It is necessary to use additional hydraulic tube.
3) On each input connected to a valve, it is necessary to place a "T" fitting.
4) The link thus created can be torn off if it is not in a guaranteed housing.
5) Adjusting the valves requires a great deal of experience. So qualified personnel.
The compensator according to the invention defined in claim 1 remedies the defects mentioned above. It is also based on a connection between the two chambers of the same cylinder.
The invention will be better understood if the description is read with reference to the figures representing an embodiment and different arrangements:
fig. 1 shows three cylinders mounted in series
fig. 2 shows an embodiment of the invention
fig. 3 shows two cylinders mounted in series with compensation
fig. 4 represents another provision of compensation
fig. 5 shows a compensation arrangement with three cylinders
fig. 6 shows a compensation arrangement with four cylinders
Note:
In the figures all the cylinders are in the same position. Given the compensator, these would synchronize themselves after a few cycles.
The position of the cylinders does not in any case matter for understanding and this simplifies the figures.
Fig. 2 shows a possible execution of connection between the two chambers of a jack according to the invention and serves to support the explanation of the invention.
Compensation is permitted when the piston (3) is at the end of its travel. The orifices (7; 8) are then located on either side of the piston. There are therefore the orifices in the chambers (2; 4) respectively. The two chambers are connected by a connecting channel (6), which is surrounded by a cage (5). On this embodiment, an adjustment screw (9) was placed intended to fix the resistance of the channel (6) to the passage of the hydraulic fluid. We can finally distinguish the cylinder body (1).
To simplify the explanation, we suppose a case where the jack of fig. 2 is directly connected to the hydraulic pump on its two inputs.
By zero pressure, we must understand atmospheric pressure. Either no overpressure.
Let us assume that the pump pours oil into the chamber (4), the piston (3) being at the end of its travel. The pressure in the chamber (2) is zero. We simulate a situation where the chamber (2), or one of the network chambers, needs oil. It is therefore necessary that the hydraulic fluid passes through the compensator without the pressure in the chamber (4) being sufficient to produce the reversal of the direction of operation of the pump. In fact the pressure prevailing in the chamber 4 will be proportional to the resistance created by the screw (9).
In our model the liquid flows perpetually through the compensator. In an apparatus, there would be an increase in pressure, causing the inversion, as soon as the chambers following the chamber (2) have been compensated.
The hydraulic inverter having switched, it is the chamber (2) which is supplied with oil.
The pressure difference between the chamber (2) and the chamber (4j must be sufficient to allow the piston (3) to move. The screw (9) must therefore be adjusted so that only part of the liquid can flow through the compensator, the piston will then move and initially block the orifice (7), which will prevent any compensation, later the two orifices (7; 8) will be in the same chamber. There will then no longer be any compensation either because the pressure will be equal on the two orifices (7; 8).
From the above explanation, it can be concluded that the resistance to the passage of the liquid caused by the screw (9) must be between a minimum and a maximum. It must have a resistance ensuring a pressure difference between the chambers (2; 4), allowing the piston (3) to move. It must have a resistance ensuring the passage of the liquid without inverting the pump when the piston is at the end of its travel.
To couple two cylinders in series, it is necessary to place two compensators. The first to ensure the evacuation of the overflow and the second to ensure the supply during a lack of oil. Figs. 3 and 4 show the two existing possibilities of placing two compensators when there are two cylinders in series.
Fig. 3 shows the ideal layout. In fact, the liquid cannot follow a path creating a loop where the liquid leaves the tank and comes to be discharged there without the jacks moving.
Fig. 4 shows the disposition to be avoided. Indeed, if the pistons are simultaneously at the end of travel on the side of the compensators, it is possible that the oil comes out of the tank, passes the compensator, enters the second cylinder, passes the second compensator and flows into the tank. In this case the pump will not reverse and the liquid will continue to loop indefinitely. In fact this configuration is possible, but very difficult to adjust.
Note:
If more than two compensators are placed for two cylinders placed in series, one will necessarily find oneself in a situation similar to that of FIG. 4. On the other hand, if only a compensator was placed, the compensation would be missing either from the overflow or from the lack of liquid, depending on the position of the compensator. The principle can be extended to more than two cylinders placed in series. Fig. 5 shows an example with 3 cylinders and fig. 6 an example with 4 cylinders.
It can be seen that the position of the compensators is not unique for obtaining an optimal installation. However, it would be good to respect two principles necessary to avoid the situation described in fig. 4. (Perpetual cycle of liquid in the network, without there being a single movement of the pistons.)
1) There must be a compensator on each cylinder input, except 2 inputs which must not have compensators:
number of compensators = 2 * number of cylinders - 2
2) The two inputs without compensator should be on the same cylinder.
This ensures that no position of the pistons can lead to an infinite loop where the pump would no longer reverse.