EP4047206A1 - Unité et installation de pompage ultra haute pression actionnée pneumatiquement pour former un jet de liquide destiné au découpage de matériaux - Google Patents

Unité et installation de pompage ultra haute pression actionnée pneumatiquement pour former un jet de liquide destiné au découpage de matériaux Download PDF

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EP4047206A1
EP4047206A1 EP22020075.2A EP22020075A EP4047206A1 EP 4047206 A1 EP4047206 A1 EP 4047206A1 EP 22020075 A EP22020075 A EP 22020075A EP 4047206 A1 EP4047206 A1 EP 4047206A1
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Definitions

  • the invention relates to an ultra high pressure (UHP) pumping unit of the order of 4000 bars, comprising a pneumatic actuator and a high pressure liquid pump for forming a jet of liquid intended for cutting materials, in particular edible materials.
  • UHP ultra high pressure
  • the invention also relates to a pumping installation comprising several of these units
  • the pneumatic actuator comprises a cylindrical chamber supplied with pressurized air in which a piston moves.
  • the air pressure in the actuator and the ratio between the large and small face of said piston determines in a known way the pressure of the water in the chamber opening onto the nozzle exit from the water jet.
  • This device is also a one-piece assembly integrating the pneumatic actuator, the high pressure water pump and the ejection nozzle. It generates pulsations which are intended to carry out a work of perforation and not a regular cutting.
  • the patent GB1161982 describes a pneumatically actuated ultra-high pressure (UHP) pumping unit to form a jet of liquid intended in particular for cutting materials, comprising a stepped UHP piston provided with several sealing rings to ensure sealing between said piston and a casing -cylinder, which cylinder block is rigidly fixed to the rolling diaphragm pneumatic actuator provided for this purpose with a cover.
  • the guidance of the piston is ensured by the exterior, ie the casing of the actuator and the crankcase of the piston of the actuator, fixed rigidly to each other. This type of guidance is necessary because the UHP pump is a piston and not a plunger.
  • this compact structure ensures correct axial guidance, it is not modular and, consequently, does not allow the properties of the guidance to be changed without modifying the entire pumping unit.
  • UHP Ultra High Pressure, that is to say a hydraulic pressure of the order of 4000 bars.
  • the object of the invention is to provide an ultra high pressure (UHP) pumping unit with a pneumatic actuator, to form a liquid jet intended for cutting materials, of modular design while ensuring good axial linear guidance of the plunger of the UHP pump.
  • the aim is also to propose several linear guide modules having many elements in common making it possible to replace a guide module with a variant without modifying the rest of the pumping installation.
  • Another object of the invention is to propose a pumping installation comprising several UHP pumping units which supply the same mobile cutting nozzle so that the cutting jet is regular.
  • the ultra high pressure (UHP) pumping unit pneumatically actuated to form a jet of liquid intended for the cutting of materials, comprising a UHP pump with a chamber supplied with liquid, usually water, the outlet of which is hydraulically connected to a nozzle to form the jet, a UHP plunger moving in said chamber in a linear back and forth motion by means of a pneumatic rolling diaphragm actuator comprising a working chamber
  • the pneumatic actuator comprises a rigid cylindrical casing, a base fixed to the lower part of a frame, a rolling diaphragm housed in the said casing and fixed to the base, a piston in the form of a plate fixed to the said membrane and moving back and forth in the said casing an air inlet-outlet to supply pressurized air to the working chamber delimited by the base-membrane-piston assembly and to evacuate the air under the action of a restoring force of the piston, and in that it comprises a linear guide, the movable part of which
  • the linear guide is designed as a double-acting shock-absorber containing oil.
  • the linear guide comprises a damping piston fixed to the rod or to the plunger and moves back and forth in a cylindrical body containing two variable-volume damping chambers filled with oil and separated by said piston.
  • the linear guide comprises several polymer rings including a polymer ring (109) of adjustable diameter, at the end of the plunger at the junction with the rod and moving back and forth in a body cylindrical containing a chamber filled with air.
  • the restoring force of the actuator piston is preferably exerted by a coil spring.
  • the diaphragm of the pneumatic actuator is made of rubber and the cylindrical shell has a diameter greater than the sum of the diameter of the piston and four times the thickness of the diaphragm to allow the diaphragm to roll along the inner wall of the envelope during the back and forth movement of the piston.
  • a pumping installation generally consists of at least three pumping units according to the invention supplying liquid to a single mobile high-pressure cutting nozzle.
  • the actuator-pump unit comprises a pneumatic actuator with its piston ( 32 ), a high-pressure hydraulic pump with its plunger piston ( 33 ) and a linear guide connecting the two pistons ( 32 ), ( 33 ).
  • the pneumatic actuator converts air pressure into linear force. It consists of a fixed rigid cylindrical casing ( 14 ), a fixed base ( 15 ), a piston ( 32 ), a rolling rubber membrane ( 16 ). The upper end of this membrane has a lip which makes it possible to fix this end by fitting on a shoulder of the piston ( 32 ), which also ensures the seal between the membrane ( 16 ) and the piston ( 32 ).
  • the maximum outer diameter of the piston ( 32 ) is less than the sum of the inner diameter of the envelope ( 14 ) and four times the thickness of the membrane ( 16 ) in order to allow this membrane to roll along the inner surface of the cylindrical casing during the back and forth movement of the piston ( 32 ).
  • the lower end of the membrane ( 16 ) is fixed to the base ( 15 ) and to the inner lower part of the casing ( 14 ) fixed by crimping between the base ( 15 ) and the casing force-fitted by a news.
  • the rolling diaphragm, the piston and the base define a sealed working chamber ( 39 ) into which an air inlet-outlet duct ( 30 ) opens at the base.
  • the base is pierced in the center for the air inlet-outlet ( 30 ) and its attachment to a frame ( 42a , 42b , 42c ).
  • the return movement of the pneumatic piston ( 32 ), for the evacuation of the air from the chamber ( 39 ) and from the UHP plunger ( 33 ), is obtained by means of a helical spring ( 31 ) coaxial with the rod ( 8 ) and the plunger ( 33 ), one end of the spring bearing on a locking plate ( 24 , 25 ) fixed to the linear guide and the other end bearing in a circular groove of the piston ( 32 ) of the pneumatic actuator .
  • the rolling membrane is made of a rubberized material similar to that used in the pneumatic suspensions of trucks.
  • the maximum air pressure in the chamber ( 39 ) is included, as an indication, between 6 and 10 bars, preferably 7 bars.
  • a screw compressor, not shown, supplies this actuator with air.
  • the envelope ( 14 ) prevents the membrane from inflating, limiting the volumes of dead air.
  • This pneumatic rolling diaphragm actuator can perform several million cycles without maintenance. It fears neither pollution nor humidity because there is no seal and friction at the piston.
  • this envelope can extend in height up to the upper part ( 42a ) of the frame to improve the rigidity of the assembly.
  • a threaded stainless steel insert ( 17 ) is fixed in the center of the upper part of the piston ( 32 ) to fix by screwing the lower rod ( 8 ) of the linear guide ( Fig. 6 and 7 ).
  • the linear guide transmits the force of the pneumatic actuator to the UHP plunger. It forces the piston pin of the actuator and the UHP plunger to remain aligned during the entire translational movement. It transmits to the UHP diver only the axial forces but not the transverse forces harmful to the proper functioning of the UHP plunger. It ensures during spring return of the actuator, the alignment of the actuator/guide/plunger assembly. It provides the mechanical stop if a faulty limit switch does not stop the ascent, thus preventing the plunger from colliding in the UHP stage.
  • this linear guide is constituted as a double-acting cylinder, without hydraulic input and output, with two cylindrical hydraulic chambers ( 36 , 37 ) filled with oil, communicating via bores ( 41 ) in the piston ( 9 ). It comprises a body ( 10 ) aligned and fixed to the UHP head ( 6 ) via a yoke ( 20 ) and a nut ( 1 ). The lower chamber ( 36 ) is closed at its lower part by the head ( 7 ) of the linear guide.
  • the primary rod ( 8 ) which is fixed on the piston of the pneumatic actuator ( 32 ) and on the piston ( 9 ) of the linear guide is twice the diameter of the secondary rod which is the UHP plunger ( 33 ) screwed into the primary rod ( 8 ) threaded at its end.
  • the piston is pierced ( 41 ) making the two hydraulic chambers ( 36 , 37 ) which it separates communicating and not pressurized during the back and forth translations of the piston ( 9 ).
  • the linear guide body is 3/4 filled with non-toxic oil. An air pocket absorbs the volume of the primary rod ( 8 ) by compressing slightly when it is retracted.
  • the oil dampens the end of the stroke of the return movement by spring ( 31 ) and ensures the lubrication of the friction carried only on the seals ( 21 , 34 , 35 ) of rods ( 8 , 33 ) and piston ( 9 ).
  • the oil also lubricates part of the UHP plunger ( 33 ) which retains a thin film after passage of the wiper seal ( 21 ) at the output of the linear guide in order to increase the life of the UHP seals.
  • the linear guide includes an intermediate chamber ( 38 , Fig.8 ), between the chamber ( 37 ) of the linear guide and the chamber ( 40 ) of the UHP head ( 6 ), which collects and drains any internal water leaks from the UHP cylinder to a receptacle after the exit of internal leaks ( 23 ).
  • This device prevents water from entering the linear guide in the event of a failure and mixing with its oil. It also visually signals the presence of internal leaks.
  • the secondary rod ( 33 ) of the linear guide acts as a UHP plunger ( 33 ) which moves back and forth in a cylindrical chamber ( 40 ) formed in the UHP head ( 6 ).
  • the UHP head ( 6 ) has a inlet and a water outlet, each being provided with a non-return valve, respectively ( 18 ) and ( 19 ).
  • the output ( 18 ) of the high pressure head is connected to the mobile cutting nozzle by a flexible metal pipe (not shown).
  • the UHP plunger rod ( 33 ) is surface polished stainless steel and is threaded at its end into the linear guide.
  • the unit - pneumatic actuator, linear guide, UHP pump - is fixed on a frame ( 42a , 42b , 42c ) by means of various members, comprising in particular locking plates ( 24 ), ( 25 ), fixing nut ( 3 ) and retaining ring ( 22 ).
  • an installation composed of four units - pneumatic actuator, linear guide, UHP pump - brings liquid, at a pressure of 3600 Bar, through an 80 micron nozzle generating a supersonic wired water jet with a flow rate of 0.164 Liter / minute .
  • This device has been designed for drinking water jet cutting applications in a food-processing environment or for other fluids such as liquid nitrogen. It can also be used in other non-food applications such as cutting leather, textiles, seals and ultimately in applications with abrasive for cutting stones, metals and others.
  • This system uses a screw air compressor as its power source which draws in 810 liters of air per minute and delivers this air at a maximum pressure of 7-8 bar.
  • the compressed air device is contained in a closed circuit which avoids condensing water from the ambient air, making the dehumidifier or optional water separator.
  • the pressure ratio between the inlet and the outlet of the pumping unit is 1:600, ie 1 bar of air generates 600 bars of water.
  • the system is administered by a programmable automaton which drives three pneumatic solenoid valves per pneumatic actuator via a low position Hall effect sensor ( 28 ) and a high position Hall effect sensor ( 29 ) of each piston ( 32 ).
  • the automaton also manages an exhaust air recovery phase redistributed to the previous actuator (N -1) which preloads and sustains the hydraulic pressure during the pressurization transitions of the pneumatic actuators.
  • the figure 10 represents in comparison to the figure 1 another embodiment of linear guide which reinforces the quality of the guide without oil damping.
  • the figure 10 also shows a variant of fixing the rod ( 108 ) of the guide in the plate of the piston of the pneumatic actuator.
  • the rod ( 108 ) is fitted into a bore of the piston plate of the actuator.
  • the lower end of the rod is tapped, and the piston plate is pierced in its center to insert a screw ( 48 ) which is screwed into the rod, in order to firmly secure the piston plate to the rod ( 108 ).

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Abstract

L'unité de pompage ultra haute pression (UHP, de l'ordre de 4000 bars), actionnée pneumatiquement pour former un jet de liquide destiné au découpage de matériaux, comprenant une pompe UHP avec une chambre (40) alimentée en liquide dont la sortie est raccordée hydrauliquement à une buse pour former le jet, un plongeur UHP (33) se déplaçant dans la dite chambre dans un mouvement linéaire de va et vient au moyen d'un actionneur pneumatique à membrane roulante comprenant une chambre de travail, est caractérisée en ce que l'actionneur pneumatique comprend une enveloppe cylindrique rigide (14), une embase (15) fixée sur la partie inférieure (41b) d'un bâti, une membrane roulante (16) logée dans la dite enveloppe et fixée à l'embase, un piston (32) en forme de plaque fixée sur le dite membrane et se déplaçant en va et vient dans la dite enveloppe (14), une entrée-sortie d'air (30) pour alimenter en air sous pression la chambre de travail (39) délimitée par l'ensemble embase-membrane-piston et pour évacuer l'air sous l'action d'une force de rappel du piston, et en ce qu'elle comprend un guide linéaire dont la partie mobile comprend une tige(8) dont une extrémité est fixée au piston (32) et l'autre extrémité au plongeur UHP (33) de la pompe UHP fixée à la partie supérieure (41c) du bâti, l'extrémité du plongeur vissée sur la tige 8 étant pourvue d'un piston (9) ou d'une bague se déplaçant en va et vient dans un corps (10) fixé à la pompe UHP.L'unité et l'installation de pompage ultra haute pression (UHP) est destinée en particulier à la découpe de matières comestibles par jet d'eau haute pression.

Description

    Domaine technique
  • L'invention concerne une unité de pompage ultra haute pression (UHP) de l'ordre de 4000 bars, comprenant un actionneur pneumatique et une pompe à liquide haute pression pour former un jet de liquide destiné au découpage de matériaux, notamment de matières comestibles. L'invention concerne également 'une installation de pompage comportant plusieurs de ces unités
    • Etat de la technique antérieure
  • Il existe des machines de découpe d'aliments par jet d'eau comme celles brevetées par les sociétés Metronics ou Hydroprocess. De façon générale, les pistons ou plongeurs de ces pompes à eau haute pression (2000 à 10000 bars) sont entrainés par des moyens électromécaniques tels que des servomoteurs. Le moteur électrique, la pompe à haute pression et la buse forment un seul bloc qui le plus souvent est monté fixe au-dessus d'un plateau ou table mobile qui supporte la pièce à découper. Du fait entre autres de la taille de l'ensemble moteur-pompe, il est plus aisé de déplacer le support de la pièce à découper que l'ensemble moteur-pompe-buse d'éjection de l'eau haute pression.
  • Il existe également des systèmes de perforation par jet d'eau haute pression chargée d'abrasifs, entrainés par des moyens à air comme divulgués dans les brevets US3520477 et DE2657717 qui décrivent des pompes à eau très haute pression pour la perforation de matière dure, notamment des pierres. L'actionneur pneumatique comprend une chambre cylindrique alimenté en air sous pression dans laquelle se meut un piston. La pression de l'air dans l'actionneur et le rapport entre la grande et la petite face du dit piston détermine de façon connue la pression de l'eau dans la chambre débouchant sur la buse de sortie du jet d'eau. Ce dispositif est également un ensemble monobloc intégrant l'actionneur pneumatique, la pompe à eau haute pression et la buse d'éjection. Il génère des pulsations qui sont destinées à réaliser un travail de perforation et non pas un découpage régulier.
  • Le brevet GB1161982 décrit une unité de pompage ultra haute pression (UHP) actionnée pneumatiquement pour former un jet de liquide destiné notamment au découpage de matériaux, comprenant un piston étagé UHP pourvu de plusieurs segments d'étanchéité pour assurer l'étanchéité entre le dit piston et un carter-cylindre, lequel carter-cylindre est fixé rigidement à l'actionneur pneumatique à membrane roulante pourvu à cet effet d'un couvercle. Le guidage du piston est assuré par l'extérieur càd le boitier de l'actionneur et le carter-cylindre du piston de l'actionneur, fixés rigidement l'un à l'autre. Ce type de guidage est nécessaire du fait que la pompe UHP est à piston et non à plongeur. D'autre part si cette structure compacte assure un guidage axial correct, elle n'est pas modulaire et, en conséquence, ne permet pas de changer les propriétés du guidage sans modifier l'ensemble de l'unité de pompage.
  • Dans la suite du texte le sigle UHP signifie Ultra haute Pression, c'est-à-dire une pression hydraulique de l'ordre de 4000 bars.
  • Le but de l'invention est de proposer une unité de pompage ultra haute pression (UHP) à actionneur pneumatique, pour former un jet de liquide destiné au découpage de matériaux, de conception modulaire tout en assurant un bon guidage linéaire axial du plongeur de la pompe UHP. Le but aussi est de proposer plusieurs modules de guidage linéaire ayant beaucoup d'éléments en commun permettant de remplacer un module de guidage par un variant sans modifier le reste de l'installation de pompage.
  • Un autre but de l'invention est de proposer une installation de pompage comprenant plusieurs unités de pompage UHP qui alimentent une même buse mobile de découpage afin que le jet de découpage soit régulier.
    • Exposé de l'invention
  • Selon l'invention, l'unité de pompage ultra haute pression (UHP), actionnée pneumatiquement pour former un jet de liquide destiné au découpage de matériaux, comprenant une pompe UHP avec une chambre alimentée en liquide, en général de l'eau, dont la sortie est raccordée hydrauliquement à une buse pour former le jet, un plongeur UHP se déplaçant dans la dite chambre dans un mouvement linéaire de va et vient au moyen d'un actionneur pneumatique à membrane roulante comprenant une chambre de travail, est caractérisée en ce que l'actionneur pneumatique comprend une enveloppe cylindrique rigide, une embase fixée sur la partie inférieure d'un bâti, une membrane roulante logée dans la dite enveloppe et fixée à l'embase, un piston en forme de plaque fixée sur le dite membrane et se déplaçant en va et vient dans la dite enveloppe une entrée-sortie d'air pour alimenter en air sous pression la chambre de travail délimitée par l'ensemble embase-membrane-piston et pour évacuer l'air sous l'action d'une force de rappel du piston, et en ce qu'elle comprend un guide linéaire dont la partie mobile comprend une tige dont une extrémité est fixée au piston en forme de plaque et l'autre extrémité au plongeur UHP de la pompe UHP fixée à la partie supérieure du bâti, l'extrémité du plongeur vissée sur la tige étant pourvue d'un piston ou d'une bague se déplaçant en va et vient dans un corps cylindrique fixé à la pompe UHP. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le guide linéaire est conçu comme un vérin-amortisseur à double effets contenant de l'huile. Le guide linéaire comprend un piston d'amortissement fixé à la tige ou au plongeur et se déplaçe en va et vient dans un corps cylindrique renfermant deux chambres d'amortissement à volume variable remplies d'huile et séparées par le dit piston.
  • Selon un autre mode réalisation, le guide linéaire comprend plusieurs bagues en polymère dont une bague en polymère (109) de diamètre réglable, à l'extrémité du plongeur au niveau de la jonction avec la tige et se déplaçant en va et vient dans un corps cylindrique renfermant une chambre remplie d'air.
  • La force de rappel du piston de l'actionneur est exercée de préférence par un ressort hélicoïdal.
  • La membrane de l'actionneur pneumatique est en caoutchouc et l'enveloppe cylindrique a un diamètre supérieur à la somme du diamètre du piston et de quatre fois l'épaisseur de la membrane pour permettre à la membrane de rouler le long de la paroi intérieure de l'enveloppe lors du mouvement de va et vient du piston.
  • Une installation de pompage est généralement constituée d'au moins trois unités de pompage selon l'invention alimentant en liquide une seule buse mobile de découpage à haute pression.
    • Description détaillée
  • Les caractéristiques et avantages de l'appareil de découpage à jet d'eau selon l'invention ressortiront mieux de la description qui suit en référence aux dessins annexés dans lesquels : [0016]
    • [Fig. 1] représente une vue en coupe longitudinale d'une unité actionneur-pompe selon l'invention comprenant un premier mode de réalisation de guide linéaire.
    • [Fig. 2] est une vue de dessus de la pompe selon l'invention.
    • [Fig. 3] est une vue 3D de la pompe selon l'invention.
    • [Fig. 4] est une vue 3D d'une installation de pompage comprenant quatre unités actionneur-pompe selon l'invention.
    • [Fig. 5] à [Fig. 9] représentent le guide linéaire selon l'invention.
    • [Fig. 10] représente une variante de la figure 1, avec un guide linéaire selon un deuxième mode de réalisation. Dans cette figure, les repères numérotés au-delà de cent, identifient les éléments identiques ou équivalents à ceux de la figure 1. Les repères en deçà de 100 sont des éléments spécifiques à ce deuxième mode de réalisation.
  • En référence à la figure 1, l'unité actionneur-pompe comprend un actionneur pneumatique avec son piston (32), une pompe hydraulique haute pression avec son piston plongeur (33) et un guide linéaire reliant les deux pistons (32), (33). L'actionneur pneumatique convertit la pression de l'air en force linéaire. Il est constitué d'une enveloppe cylindrique rigide fixe (14), d'une embase fixe (15), d'un piston (32), d'une membrane roulante en caoutchouc (16). L'extrémité supérieure de cette membrane présente une lèvre qui permet de fixer par emmanchement cette extrémité sur un épaulement du piston (32), ce qui assure aussi l'étanchéité entre la membrane (16) et le piston (32). Le diamètre extérieur maximum du piston (32) est inférieure à la somme du diamètre intérieure de l'enveloppe (14) et de quatre fois l'épaisseur de la membrane (16) afin de permettre à cette membrane de rouler le long de la surface intérieure de l'enveloppe cylindrique lors du mouvement de va et vient du piston (32). L'extrémité inférieure de la membrane (16) est fixée à l'embase (15) et à la partie basse intérieure de l'enveloppe (14) fixé par sertissage entre l'embase (15) et l'enveloppe emmanché en force par une presse. La membrane roulante, le piston et l'embase délimitent une chambre étanche de travail (39) dans laquelle débouche au niveau de l'embase un conduit d'entrée-sortie d'air (30). A cet effet, l'embase est percée au centre pour l'entrée-sortie d'air (30) et sa fixation sur un bâti (42a, 42b, 42c). Le mouvement de rappel du piston pneumatique (32), pour l'évacuation de l'air de la chambre (39) et du plongeur UHP (33), est obtenu au moyen d'un ressort hélicoïdal (31) coaxial à la tige (8) et au plongeur (33), une extrémité du ressort prenant appui sur une plaque de verrouillage (24, 25) fixée au guide linéaire et l'autre extrémité prenant appui dans une rainure circulaire du piston (32) de l'actionneur pneumatique.
  • La membrane roulante est réalisée dans une matière caoutchoutée analogue à celle utilisée dans les suspensions pneumatiques de camions. La pression d'air maximum dans la chambre (39) est comprise, à titre indicatif, entre 6 et 10 bars, de préférence 7 bars. Un compresseur à vis, non représenté alimente en air cet actionneur.
  • L'enveloppe (14) empêche la membrane de gonfler limitant les volumes d'air mort. Cet actionneur pneumatique à membrane roulante peut effectuer plusieurs millions de cycles sans maintenance. Il ne craint ni la pollution, ni l'humidité car il n'y a pas de joint d'étanchéité et de frottements au niveau du piston.
  • Selon une variante cette enveloppe peut s'étendre en hauteur jusqu'à la partie supérieure (42a) du bâti pour améliorer la rigidité de l'ensemble.
  • Un insert inox taraudé (17) est fixé au centre de la partie supérieure du piston (32) pour fixer par vissage la tige inférieure (8) du guide linéaire (Fig. 6 et 7).
  • Ce guide linéaire a plusieurs fonctions :
    Le guide linéaire transmet la force de l'actionneur pneumatique sur le plongeur UHP. Il contraint l'axe du piston de l'actionneur et le plongeur UHP à rester alignés pendant tout le mouvement de translation. Il transmet au plongeur UHP seulement les forces axiales mais pas les forces transversales nuisibles au bon fonctionnement du plongeur UHP. Il assure pendant le rappel par ressort de l'actionneur, l'alignement de l'ensemble actionneur/guide/plongeur. Il assure la butée mécanique si un capteur de fin de course défaillant n'arrête pas la montée empêchant ainsi, la collision du plongeur dans l'étage UHP.
  • En référence aux figures 1, 6 à 9, ce guide linéaire est constitué comme un vérin à double effets, sans entrée et sortie hydraulique, avec deux chambres hydrauliques (36, 37) cylindriques remplies d'huile, communicantes par des perçages (41) dans le piston (9). Il comprend un corps (10) aligné et fixé à la tête UHP (6) via une chappe (20) et un écrou (1). Le chambre inférieure (36) est fermée à sa partie basse par la tête (7) du guide linéaire. La tige primaire (8) qui est fixée sur le piston de l'actionneur pneumatique (32) et sur le piston (9) du guide linéaire fait deux fois le diamètre de la tige secondaire qui est le plongeur UHP (33) vissé dans la tige primaire (8) taraudée à son extrémité. Le piston est percé (41) rendant les deux chambres hydrauliques (36, 37) qu'il sépare communicantes et non pressurisées lors des translations en va et vient du piston (9). Le corps du guide linéaire est au 3/4 rempli d'huile non toxique. Une poche d'air absorbe le volume de la tige primaire (8) en se comprimant légèrement lorsque que celle-ci est rentrée. L'huile amortit la fin de course du mouvement de rappel par ressort (31) et assure la lubrification des frottements portés uniquement sur les joints (21, 34, 35) de tiges (8, 33) et de piston (9). L'huile lubrifie également une partie du plongeur UHP (33) qui en garde une fine pellicule après le passage du joint racleur (21) en sortie de guide linéaire afin d'accroître la durée de vie des joints UHP. Le guide linéaire comprend une chambre intermédiaire (38, Fig 8), entre la chambre (37) du guide linéaire et la chambre (40) de la tête UHP (6), qui récupère et draine d'éventuelles fuites d'eau internes provenant du cylindre UHP vers un réceptacle après la sortie de fuites internes (23). Ce dispositif empêche l'eau de rentrer dans le guide linéaire en cas de défaillance et de se mélanger à son huile. Il permet également de signaler de manière visuelle la présence de fuites internes.
  • Comme dit précédemment, la tige secondaire (33) du guide linéaire fait fonction de plongeur UHP (33) qui se déplace en va et vient dans une chambre cylindrique (40) formée dans la tête UHP (6). La tête UHP (6) comporte une entrée et une sortie d'eau, chacune étant pourvue d'un clapet anti-retour, respectivement (18) et (19). La sortie (18) de la tête haute pression est raccordée à la buse mobile de découpage par un tuyau métallique flexible (non représenté).
  • La tige du plongeur UHP (33) est en inox polie en surface et est filetée à son extrémité dans le guide linéaire.
  • Certains détails de construction utiles au bon fonctionnement de la pompe hydraulique UHP, sont également représentés et référencées sur les figures 1 et 6. Sont représentés notamment les bagues de guidage (2), (5) des tiges du guide linéaire, le moyen (4) comprimant les joints UHP (12) contre la surface du plongeur UHP, les capteurs inductifs de position basse (28) et de position haute (29) du piston (32) de l'actionneur pneumatique. Ces capteurs inductifs à effet Hall, comprennent un aimant (26) et un support d'aimant (27).
  • D'autres détails de montage sont représentés comme la rondelle plate (13) et le contre écrou (11) au niveau de la fixation vissée de la tige primaire (8) dans le piston pneumatique (32).
  • L'unité -actionneur pneumatique, guide linéaire, pompe UHP - est fixée sur un bâti (42a, 42b, 42c) au moyen de différents organes, comprenant notamment des plaques de verrouillage (24), (25), d'écrou de fixation (3) et de bague de maintien (22).
  • Il est avantageux de grouper plusieurs unités par exemple quatre unités-actionneur pneumatique, guide linéaire, pompe UHP-, pour réaliser une installation de pompage UHP alimentant en liquide une seule buse de découpage à une haute pression à peu près régulière sans pulsions.
  • A titre d'exemple en référence à la figure 4, une installation composée de quatre unités - actionneur pneumatique, guide linéaire, pompe UHP - amène du liquide, à une pression 3600 Bar, à travers une buse de 80 microns générant un jet d'eau filaire supersonique avec un débit de 0,164 Litre/minute. Ce dispositif a été conçu pour des applications de découpe à jet d'eau potable dans un environnement agroalimentaire ou pour d'autres fluides comme de l'azote liquide. Il pourra aussi être utilisé dans d'autres applications non alimentaires comme la découpe de cuir, textile, joints et à terme dans des applications avec abrasif pour des découpes de pierres, métaux et autres. Ce système utilise comme source de puissance un compresseur d'air à vis qui aspire 810 litres d'air par minute et refoule cet air à une pression de 7-8 bar maximum. Ce volume est compressé dans ce système à 7-8 bar, avec une consommation électrique de 5500 W. Le dispositif d'air comprimé est contenu dans un circuit fermé qui évite de condenser l'eau de l'air ambiant, rendant le déshumidificateur ou séparateur d'eau facultatif. Le ratio de pression entre l'entrée et la sortie de l'unité de pompage est de 1:600, càd 1 bar en air génère 600 bars en eau. Le système est administré par un automate programmable qui pilote trois électrovannes pneumatiques par actionneur pneumatique via un capteur à effet Hall de position basse (28) et un capteur à effet Hall de position haute (29) de chaque piston (32). L'automate gère également une phase de récupération d'air d'échappement redistribué sur l'actionneur précédent (N -1) qui se précharge et soutient la pression hydraulique pendant les transitions de pressurisation des actionneurs pneumatiques.
  • La figure 10 représente en comparaison à la figure 1 un autre mode de réalisation de guide linéaire qui renforce la qualité du guidage sans amortissement à huile.
  • Il comporte trois bagues en polymère haute performance (41, 109, 47) présentant une certaine élasticité, à savoir :
    • En partie haute du guide une bague (41) dans la chappe (120) de fixation du guide linéaire à la tête de pompe UHP (106). La surface intérieure de cette bague (41) est en contact avec la surface cylindrique du plongeur UHP (133). La partie haute conserve les bagues de guidage notamment la bague (102) du mode de réalisation de la figure 1. Cette bague supplémentaire (41) en partie haute améliore le guidage.
    • En partie intermédiaire du guide, une bague (109) se substitue au piston d'amortissement (9) de la figure 1. Cette bague (109) est enserrée sur la partie inférieure du plongeur (133). Le dessin montre des rondelles ressorts (44), une rondelle d'appui (43) et un écrou (42) sur le plongeur permettant de comprimer verticalement la bague (109) en serrant l'écrou. Ce serrage permet de régler la force de contact de la surface périphérique de la bague sur la surface intérieure cylindrique en inox du corps du guide (110). En cas d'usure de la bague, les rondelles ressorts s'étendent axialement et permettent de rattraper le jeu.
    • En partie inférieure du guide linéaire, une bague (47) est insérée dans la tête (107) du guide linéaire qui est vissée sur le corps (110) du guide linéaire. Les rondelles ressorts (45) et le vissage de la tête (107) sur le corps (110) permettent de comprimer axialement la bague (47) et de régler ainsi la force de contact de la surface intérieure de la bague sur la surface extérieure cylindrique de la tige (108) du guide linéaire. Dans ce mode de réalisation, le corps du guide ne comprend qu'une chambre (137) remplie d'air. Lors du mouvement de va et vient de l'ensemble tige-plongeur-bague (108, 110, 109) dans le corps (110), le volume de la chambre (137) varie, l'air se comprimer et se détend, et peut s'échapper de la chambre (137) par les interstices. Il peut-être cependant avantageux de prévoir des rainures sur les surfaces latérales des bagues de guidage.
  • La figure 10 montre également une variante de fixation de la tige (108) du guide dans la plaque du piston de l'actionneur pneumatique. Selon cette variante, la tige (108) est emmanchée dans un alésage de la plaque-piston d el'actionneur. L'extrémité inférieure de la tige est taraudée, et la plaque piston est percée en son centre pour y insérer un vis (48) qui se visse dans la tige, afin de bien solidariser la plaque-piston à la tige (108).

Claims (11)

  1. Unité de pompage ultra haute pression (UHP), de l'ordre de 4000 bars, actionnée pneumatiquement pour former un jet de liquide destiné au découpage de matériaux, comprenant une pompe UHP avec une chambre (40) alimentée en liquide dont la sortie est raccordée hydrauliquement à une buse pour former le jet, un plongeur UHP (33) se déplaçant dans la dite chambre dans un mouvement linéaire de va et vient au moyen d'un actionneur pneumatique à membrane roulante comprenant une chambre de travail, caractérisée en ce que l'actionneur pneumatique comprend une enveloppe cylindrique rigide (14), une embase (15) fixée sur la partie inférieure (42c) d'un bâti, une membrane roulante (16) logée dans la dite enveloppe et fixée à l'embase, un piston (32) en forme de plaque fixée sur le dite membrane et se déplaçant en va et vient dans la dite enveloppe (14), une entrée-sortie d'air (30) pour alimenter en air sous pression la chambre de travail (39) délimitée par l'ensemble embase-membrane-piston et pour évacuer l'air sous l'action d'une force de rappel du piston, et en ce qu'elle comprend un guide linéaire dont la partie mobile comprend une tige(8) dont une extrémité est fixée au piston (32) et l'autre extrémité au plongeur UHP (33) de la pompe UHP fixée à la partie supérieure (42a) du bâti, l'extrémité du plongeur vissée sur la tige 8 étant pourvue d'un piston (9) ou d'une bague (109) se déplaçant en va et vient dans un corps (10) fixé à la pompe UHP.
  2. Unité de pompage selon la revendication 1 caractérisée en ce la membrane (16) est en caoutchouc et en ce que l'enveloppe cylindrique (14) a un diamètre supérieur à la somme du diamètre du piston (32) et de quatre fois l'épaisseur de la membrane (16) pour permettre à la membrane (16) de rouler le long de la paroi intérieure de l'enveloppe (14) lors du mouvement de va et vient du piston (32).
  3. Unité de pompage selon la revendication 2 caractérisée en ce que l'extrémité supérieure de cette membrane présente une lèvre qui permet de fixer par emmanchement cette extrémité sur un épaulement du piston (32), ce qui assure aussi l'étanchéité entre la membrane (16) et le piston (32), et en ce que l'extrémité inférieure de la membrane (16) est fixée à l'embase (15) et à la partie basse intérieure de l'enveloppe (14) par sertissage.
  4. Unité de pompage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que le guide linéaire comprend un piston d'amortissement (9) fixé à la tige (8) ou au plongeur (33) et se déplaçant en va et vient dans un corps cylindrique (10) renfermant deux chambres d'amortissement à volume variable (36, 37) remplies d'huile et séparées par le piston (9) (Fig. 5 et 6).
  5. Unité de pompage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que le guide linéaire comprend plusieurs bagues en polymère dont une bague en polymère (109) de diamètre réglable, à l'extrémité du plongeur (133) au niveau de la jonction avec la tige (108) et se déplaçant en va et vient dans un corps cylindrique (110) renfermant une chambre remplie d'air (137).
  6. Unité de pompage selon la revendication 4 ou 5 caractérisée en ce que la pompe UHP comprend une tête UHP (6) fixée au corps (10) du guide linéaire, et renfermant la chambre UHP (40) comprenant une entrée d'eau et une sortie d'eau munies chacune d'un clapet antiretour (18, 19).
  7. Unité de pompage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisée en ce que la force de rappel du piston pneumatique (32) et du plongeur UHP (33) est obtenue au moyen d'un ressort hélicoïdal (31) coaxial à la tige (8) et au plongeur (33), une extrémité du ressort prenant appui sur une plaque de verrouillage (24, 25) fixée au guide linéaire et l'autre extrémité prenant appui dans une rainure circulaire du piston (32) de l'actionneur pneumatique.
  8. Unité de pompage selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la sortie (18) de la tête haute pression est raccordée à la buse mobile par un tuyau métallique flexible.
  9. Installation de pompage comportant plusieurs unités de pompage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les unités sont montés dans un bâti (Fig. 4) et administrées par un automate programmable qui pilote trois électrovannes pneumatiques par actionneur pneumatique via un capteur à effet Hall de position basse (28) et un capteur à effet Hall de position haute (29) de chaque piston (32) des actionneurs pneumatiques.
  10. Installation de pompage selon la revendication 9 caractérisée en ce que l'automate gère également une phase de récupération d'air d'échappement redistribué sur l'actionneur précédent (N -1) qui se précharge et soutient la pression hydraulique pendant les transitions de pressurisation des actionneurs pneumatiques.
  11. Installation de pompage selon la revendication 9 ou 10 caractérisée en ce qu'elle est utilisée pour découper par jet d'eau des produits comestibles.
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