FR2469988A1

FR2469988A1 - Ajutage de projection d'un jet de coupe sous haute pression

Info

Publication number: FR2469988A1
Application number: FR8024581A
Authority: FR
Inventors: John H Olsen
Original assignee: Flow Industries Inc
Current assignee: Flow Industries Inc
Priority date: 1979-11-20
Filing date: 1980-11-19
Publication date: 1981-05-29
Also published as: CA1159357A; DK149709B; GB2064375A; US4313570A; DK491380A; DE3043777A1; SE8008114L; FR2469988B1; JPS6246600U; GB2064375B; DK149709C; JPS5684657A; SE444894B

Abstract

AJUTAGE DE PROJECTION D'UN JET D'EAU SOUS PRESSION EXTREMEMENT ELEVEE, COMPRENANT UNE SOUPAPE LEGERE RELIEE PAR UN MECANISME A PERTE DE MOUVEMENT A LA COMMANDE. LA SOUPAPE 36 FORME DIRECTEMENT LE JOINT D'ETANCHEITE AVEC LE RUBIS 38 DE FORMATION DU JET DE MANIERE A GARANTIR LA PRESENCE PERMANENTE DU FLUIDE SOUS HAUTE PRESSION A L'INTERIEUR DU SYSTEME. LE MAINTIEN DE LA PRESSION ELEVEE DANS LE SYSTEME PROTEGE LES TUBES D'ALIMENTATION CONTRE LES DEGATS CAUSES PAR LES ONDES DE PRESSION CREEES PAR LES OUVERTURES ET FERMETURES REPETEES DE LA SOUPAPE. APPLICATION AU DECOUPAGE PAR UN JET D'EAU POUVANT ATTEINDRE UNE PRESSION SUPERIEURE A 400MPA.

Description

246998i 1. L'invention se rapporte à un ajutage perfectionné de projection

d'un fluide sous pression élevée et équipé de manière à pouvoir ouvrir ou couper le passage du fluide. Une soupape est nécessaire dans les systèmes de coupe par un jet de fluide pour commander la décharge du jet d'eau et la circulation du fluide qui peut atteindre une pression de 420 MPa. Dans les appareils classiques, la soupape est montée dans le tube d'alimentation, en amont de l'ajutage de coupe. A chaque fois que la soupape s'ouvre ou se ferme,. le tube d'alimentation compris entre cette soupape et l'élément de formation du jet subit une variation de

pression égale à la pression maximale de service.

Dans les appareils classiques, lorsque la soupape est ouverte rapidement, une onde de compression se forme et se propage vers l'élément de formation du jet. Une onde de détente qui apparaît simultanément avec la formation des ondes de pression se forme au niveau de la soupape et se propage vers la source de pression élevée. Les ondes ainsi formées lors de l'ouverture de la soupape se réfléchissent

sur différentes parties de l'appareil et créent des fluctua-

tions de pression dans les *tubes d'alimentation. Si la résistance à la fatigue du tube d'alimentation n'est pas suffisante pour résister aux fluctuations de pression, il peut en résulter une rupture de ce tube et l'utilisateur peut être exposé à certains risques. Dans les appareils de coupe, les tubes d'alimentation ont donc une épaisseur considérable leur conférant la résistance mécanique qui leur permet de résister aux fluctuations de pression. Même lorsque ces tubes ont cette épaisseur, le métal peut subir une certaine fatigue provoquée par le passage répété d'ondes produites par Ilactionnement de la soupape. Les ondes de pression créées ont un effet particulièrement destructeur lorsqu'une grande chambre est placée immédiatement en amont de l'élément de formation du jet, ce qui est souvent le cas

lorsqu'un jet de coupe de qualité élevé est exigé.

Les appareils usuels de coupe par un jet de liquide comprennent en général un rubis de saphir synthétique comprenant un orifice axial constituant l'élément de formation du jet afin d'allonger la vie utile de l'appareil dans lequel des vitesses élevées du jet sont utilisées. Le rubis est normalement monté dans l'ajutage au moyen d'une rondelle d'élastomère de manière à réaliser un assemblage élastique. Avec une soupape classique, les alternances de pressurisation et de dépressurisation du système et les ondes de pression qui en résultent peuvent dégager l'élément de rubis qui forme le jet ou le déloger de son montage. Lorsque le rubis de formation du jet est dégagé ou délogé, il faut

démonter l'appareil pour remettre le rubis en place.

Une tentative d'élimination de la fatigue due aux ondes de pression a consisté à disposer un accumulateur

hydraulique dans le tube d'alimentation de la soupape.

L'accumulateur réduit l'amplitude des ondes de pression passant par le tube d'alimentation en amont de la soupape, mais il apporte peu ou pas d'aide au tube situé'en aval de la soupape. L'introduction d'un accumulateur élève toutefois le prix de revient et le poids du système et cet accumulateur ne peut pas être utilisé dans tous les cas. Il est donc important de trouver une autre solution pour empêcher la création d'ondes de pression dues à l'ouverture et à la

fermeture de la soupape.

L'invention se rapporte à un ajutage perfectionné qui est équipé de manière à pouvoir ouvrir ou couper le passage du fluide. Une soupape en champignon montée sur un support est assemblée à un organe de commande par

l'intermédiaire d'un élément de liaison à perte de mouvement.

La soupape forme directement un élément d'obturation du rubis qui constitue l'élément de formation du jet. L'élément de liaison est supporté par plusieurs éléments tubulaires disposés à la circonférence et qui sont également destinés à redresser le tourbillonnement du flux de fluide se dirigeant sur l'élément de formation du jet de manière à réduire ainsi

la turbulence.

Le perfectionnement apporté par cette disposition a pour conséquence que le tube d'alimentation et l'intérieur de l'ajutage sont maintenus constamment sous la pression maximale du fluide. Ainsi, seules des ondes minimales de pression sont créées soit lors de l'ouverture, soit lors de la fermeture de la soupape. Le rubis constituant un élément de formation du jet de fluide est donc ainsi également sous pression constante et n'est pas soumis aux fluctuations de pression qui sinon pourraient le déloger de son élément de montage en élastomère. Les éléments de support tubulaires permettent de disposer l'admission du fluide de travail devant être utilisé de manière qu'elle ne se trouve pas sur l'axe sans encourir une perte de qualité du jet de coupe. L'invention va être décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: - la figure 1 est une coupe longitudinale partielle de la soupapes de la commande de la soupape et de l'ajutage de l'appareil de l'invention; - la figure 2 est une coupe axiale de détail à échelle agrandie de la soupape et de l'ajutage de la figure 1; et - la figure 3 est une coupe transversale selon la

ligne 3-3 de la figure 1.

Le mode de réalisation représenté de l'invention comprend un sous-groupe de commande, un sous-groupe à ajutage, un sous-groupe à soupape en champignon et une garniture d'étanchéité. Le sous-groupe de commande représenté est de type pneumatique, bien qu'il soit aussi possible d'utiliser une commande hydraulique ou électrique et bien qu'il puisse consister en une simple vis ou autre mécanisme de commande. Le choix du système de commande et sa conception doivent dans tous les cas tenir compte de paramètres déterminants tels que les forces devant être exercées et le type de course qui est nécessaire. La commande représentée sur la figure 1 est conçue pour une force d'au moins 900 N et pour une course réglable et elle est capable

d'assumer la fonction de manière répétée.

La figure 1 représente une tige creuse 1 consti-

tuant un conduit d'alimentation et raccordée à une source

2469988,'

(non représentée) d'air comprimé de commande du fonction-

nement de la soupape. Il est bien évident qu'il faut que le raccord à la source d'air sous pression soit flexible pour permettre les déplacements axiaux de la tige 1 du circuit pneumatique. Cette tige est munie d'un écrou hexagonal et réglable 2 qui est destiné à la fixer à l'intérieur d'un guide de ressort 3. Ce guide 3 est monté à l'intérieur d'un boîtier de commande 4 et passe dans une ouverture convenable de l'extrémité fermée de ce dernier, comme représenté sur la figure 1. Le guide comprend une partie de diamètre réduit qui passe dans l'extrémité du boîtier avec un jeu suffisant pour en autoriser une course axiale limitée. Un ressort 5 est logé dans le boîtier 4 et entoure le guide 3. Le ressort 5 prend appui sur une butée 6 et porte contre une plaque 7 montée sur la tige 1. Dans le mode de réalisation représenté, le ressort 6 se compose de seize rondelles Belleville comprimées sur une distance de 6,05 mm de manière à être sous précontrainte

correspondant à une force de 845 N. Une compression supplé-

mentaire de 1,52 mm lorsque la soupape est en position d'ouverture donne une charge de 1023 N. D'autres systèmes élastiques équivalents pourraient aussi remplacer les ressorts de ce mode de réalisation. La plaque 7 est fixée sur la tige 1 par l'écrou hexagonal 2 qui serre cette plaque et un diaphragme 8 contre un épaulement convenable 9 de l'extrémité de la tige d'admission d'air. Le diaphragme est aussi serré sur sa périphérie extérieure sur le boîtier 4 au moyen de plusieurs vis à tête 10 qui assemblent un couvercle 11 sur le boîtier. Comme représenté, la butée 6 forme un épaulement qui coopère avec le corps de la tige 1 d'admission d'air pour

limiter la course axiale de cette dernière.

Un tube de raccord 12 est vissé dans le couvercle 11 du boîtier de la commande. La position d'un tube de raccord 13 à l'intérieur d'une cage hermétique 16 est réglable afin de permettre de régler la course du sousgroupe de commande. Lorsque le réglage axial de la position du tube de raccord 13 est achevé, un écrou d'arrêt 15 est serré contre la cage 16 de la commande afin de fixer le tube en place. Un goujon 14 pouvant coulisser axialement et loger à l'intérieur du tube de raccord 13 est destiné à transmettre le mouvement du sous-groupe de commande au sous- groupe à soupape. L'extrémité gauche, dans la représentation de la figure 1, du goujon 14 est forée de manière à loger une tige 24 et à former un support de cette dernière. Le tube de raccord 13 est aussi vissé sur le couvercle il du boîtier de commande et un second écrou d'arrêt 12 l'empêche de se

déplacer par rapport à ce couvercle.

En service, l'ajutage est normalement en position de coupure ou de fermeture jusqu'à ce qu'il soit prêt à être utilisé. Le sous-groupe à soupape en champignon est retenu à la position normale de fermeture par la force du

ressort 5 et l'application de la pression de l'air l'ouvre.

Ce mode de fonctionnement est du type à sécurité, de manière à empêcher l'envoi d'un jet de coupe en cas de défaillance de l'alimentation en air comprimé0 Lorsque l'utilisateur désire projeter un jet de coupe, il provoque l'application d'air comprimé sur la tige 1. L'air passe par cette tige et refoule le diaphragme 8 vers la butée 6. La force du diaphragme est

transmise à la plaque 7 qui comprime le ressort 5 entre elle-

même et la butée 6. Lorsque le ressort 5 est comprimé, le goujon 14 est libre de se déplacer vers la butée 6 et il est amené à effectuer ce déplacement sous l'effet de la pression du fluide de travail régnant dans la cage 21 de l'ajutage et s'exerçant sur la tige 24 en sens inverse à celui de la

pression de l'air.

Pour empêcher la pression élevée régnant dans la cage 21 de l'ajutage d'atteindre le sous-groupe de commande, un joint d'étanchéité 18 est placé entre le sous-groupe de l'ajutage et le sous-groupe de commande. Le joint 18 doit être capable de résister à une différence de pression de l'ordre de 420 MPa et de laisser passer une tige 24 de commande du sous- groupe à soupape. Comme le représente la figure 1D le joint 18 est monté à l'intérieur de la cage cylindrique 16 qui est vissée dans la cage 21 de l'ajutage, comme mentionné précédemment. Le joint d'étanchéité 18 et un joint torique 19 sont retenus en position active par un appui 17 appliqué contre le joint 18 et la surface intérieure de la

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cage étanche 16. Une entretoise 20 retient le joint d'étanchéité et le joint torique en place, cette entretoise étant de son côté retenue en place par la cage 21 de l'ajutage. La tige 24 passe dans l'entretoise 20, le joint d'étanchéité 18, le joint torique 19 et l'appui 17. Le joint 18 sert à maintenir la pression dans la cage 16 et autour de la tige 24 afin d'isoler le fluide sous pression élevée qui

se trouve du côté du joint 18 tourné vers l'ajutage.

Le sous-groupe à ajutage est logé à l'intérieur

de la cage 21 qui peut avoir la forme d'un cylindre creux.

Dans le mode de réalisation représenté, la cage 21 est fixée à la cage 16 par un filetage réalisé à l'intérieur de son extrémité étanchée, comme décrit précédemment, cette cage 21 comportant une surface chanfreinée qui est complémentaire du chanfrein de l'entretoise 20. L'autre extrémité de la cage 21 est destinée à la fixation d'un capuchon 28 dans lequel est monté le support 27 du rubis, ce capuchon étant monté de

manière étanche sur cette cage 21.

Plusieurs tubes d'entretoisement 23 et un sous-

groupe 26 à soupape en champignon sont logés à l'intérieur de la cage 21. La figure 3 représente les positions relatives des tubes d'entretoisement 23, -de la tige 24 et de la cage 21 de l'ajutage. Dans ce mode de réalisation, cinq tubes d'entretoisement 23 sont disposés à l'intérieur de la cage 21 et entourent la tige 24. Les tubes 23 sont destinés à supporter la tige 24 au centre de la cage 21 et contribuent à

empêcher le tourbillonnement du fluide de travail.

Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, le fluide de travail sous haute pression, qui peut être délivré par une pompe à haute pression ou par un amplificateur hydraulique (non représenté) entre à l'intérieur de la cage 21 par une admission 22. Le raccord de la canalisation d'alimentation sur l'admission 22 peut consister en tout élément d'étanchéité classique qui tient une pression élevée. Le fluide de travail passe à l'intérieur de la cage 21, par les tubes d'entretoisement 23 et autour de ceux-ci et de la tige 24. La forme en nid d'abeille des tubes d'entretoisement 23 contribue à réduire le tourbillonnement provoqué par le fait que l'admission 22 est disposée

latéralement. Le fluide de travail passe autour- du sous-

groupe 26 à soupape et se dirige sur l'orifice du rubis 38 monté dans son support 27 et, lorsque la soupape est ouverte, il émerge sous forme d'un jet de coupe 29. Il a été observé que ce mode de réalisation de l'ajutage donne satisfaction avec des pressions de fluide pouvant atteindre 420 MPa et qu'il est capable de produire un jet de coupe dont la vitesse

dépasse 900 m/s. La pénétration ou la disposition du sous-

groupe à soupape 26 dans la trajectoire d'écoulement du fluide ne modifie pas de manière perceptible la qualité du

jet de coupe 29.

La figure 2 représente en détail la structure du

sous-groupe à soupape. Comme mentionné précédemment, le-sous-

groupe 26 à soupape est relié au sous-groupe de commande par la tige 24 qui est supportée par les tubes d'entretoisement 23 et les éléments d'étanchéité 17 à 19. Un embout 31 est fizé à l'extrémité de la tige 24 située du côté de la soupape. Dans ce mode de réalisation, l'embout 31 est fixé sur la tige 24 par un joint de soudure 32 à l'argent, mais il est possible d'utiliser d'autres procédés d'assemblage équivalents. Une cage 33 destinée à la soupape et vissée sur l'embout 31 est de préférence obturée de manière étanche par une résine époxy ou autre adhésif ou colle convenable. La cage 33 de la soupape consiste en un élément cylindrique creux comportant un épaulement 35 à la surface intérieure de son extrémité libre qui se trouve normalement à proximité du rubis 38 qui constitue l'élément de formation du jet. Un ressort 34 et un piston plongeur 36 sont logés dans la cage 33, le ressort 34 étant monté de manière à exercer sa force d'élasticité entre l'embout 31 et le piston plongeur 36. Le ressort exerce une force de poussée du piston plongeur 36 contre l'épaulement 35 de la cage 33, cette force étant destinée à maintenir la soupape en position d'extension et d'application contre le rubis. Le piston plongeur 35 a la forme d'un cylindre épaulé comportant un trou 37 de petit diamètre dans sa face d'obturation, de manière à garantir qu'une superficie importante de cette face est mise sous 2469988- t basse pression même lorsque l'ouverture de l'ajutage utilisé a un petit diamètre. Lorsqu'il est en position de fermeture,

le piston plongeur 35 est appliqué contre le rubis consti-

tuant l'élément 38 de formation du jet de manière à assurer l'étanchéité et la présence du trou 37 a pour conséquence que les efforts de mise en butée sur le reste de la face de la soupape sont suffisamment importants pour garantir une bonne étanchéité. Le rubis 38 consiste en un disque comportant un orifice central 39 qui délimite et forme un jet de coupe, une rondelle d'élastomère 40 retenant ce rubis dans son support 27. Il convient également -de remarquer qu'il faut que le diamètre de la tige 24 soit le plus faible possible, mais il faut que sa section transversale soit plus grande que la superficie de mise en butée entre la soupape et le rubis pour garantir que la soupape s'ouvre d'elle-même lorsque la force

de fermeture exercée sur la tige est supprimée.

Le sous-groupe 26 à soupape qui a été décrit

assume la fonction d'un mécanisme de liaison à perte de mou-

vement. Lorsque de l'air sous pression est introduit dans le sous-groupe de commande de manière à éliminer la pression exercée par le ressort, la pression du fluide de travail qui règne dans la cage 21 repousse le sousgroupe à soupape 26 en l'éloignant du rubis 38 de formation du jet et en permettant au fluide de travail de passer par l'orifice 39 et de former un jet de coupe. Lorsque l'utilisateur désire couper le jet

de coupe, il supprime la pression d'air exercée par le sous-

groupe de commande; la force du ressort 5 de ce sous-groupe s'exerce alors par l'intermédiaire de la tige 24 et déplace la soupape 26 vers le rubis 38. Le piston plongeur 36 entre en contact avec le rubis 38 et s'applique contre lui de manière étanche. Comme mentionné précédemment, - sous les pressions élevées qu'implique le mode de fonctionnement de ce dispositif, le métal du piston plongeur 36 est suffisamment déformé par la différence de pression entre l'intérieur de la cage 21 de l'ajutage et l'extérieur pour former un joint satisfaisant. Le trou 37 contribue de son côté à la formation d'un joint étanche en mettant la partie correspondante du

plongeur 36 à la pression atmosphérique.

Le mécanisme de liaison à perte de mouvement que constitue le sous-groupe 26 à piston plongeur est destiné à isoler le rubis 38 qui constitue l'élément de formation du

jet des forces extrêmement importantes exercées par 1Vinter-

médiaire de la tige 24 par le sous-groupe de commande. En l'absence du mécanisme de liaison à perte de mouvement, ces forces pourraient provoquer la rupture du rubis 38. La force d'obturation étanche qui est obtenue résulte de la différence de pression entre l'intérieur de la cage 21 de l'ajutage et la pression ambiante et non pas de la force exercée par le ressort 3.4 qui est uniquement destiné à maintenir le piston plongeur 36 en permanence en position d'extension. La force qui ouvre la soupape est aussi créée par la différence de pression entre l'intérieur du sous-groupe 21 de l'ajutage et la pression ambiante, cette différence de pression tendant à repousser la tige 24 en la faisant sortir de la cage 21 et donc à ouvrir la soupape. La force exercée sur le rubis 38 est continue, indépendamment du fait que le sous-groupe 26 à soupape est en position d'ouverture ou de fermeture et, en conséquence, le rubis 38 n'a pas tendance à se libérer de son

élément de montage 27.

Il va de soi que l'invention n'a été décrite qu'à titre d'exemple et que diverses modifications peuvent lui

être apportées sans sortir de son domaine.

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Claims

REVENDICATIONS

1. Ajutage de coupe à jet de fluide animé d'une grande vitesse, caractérisé en ce qu'il comprend une cage (21) comprenant une admission (22) et une sortie du fluide de travail sous haute pression, ladite sortie comprenant un élément (38) de formation d'un jet dudit fluide, une soupape (26) étant logée dans ladite cage (21) de manière'à former un joint d'obturation avec ledit élément (38) de formation d'un jet de fluide afin de commander l'écoulement de ce fluide par cet élément de formation du jet, et un mécanisme (24, 33, 34,

) assurant la commande de ladite soupape.

- 2. Ajutage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite soupape (26) comprend un piston plongeur (36) comportant une face d'obturation destinée à entrer en contact avec ledit élément (38) de formation du jet afin de former avec celui-ci un joint d'étanchéité, ledit mécanisme de commande (24, 33, 34, 35) comprenant une liaison à perte de mouvement destinée à éloigner le piston plongeur (36) de l'élément (38) de formation du jet afin de supprimer le joint d'étanchéité tout en empochant ledit piston plongeur d'exercer une force importante sur cet élément de formation

du jet.

3. Ajutage selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite liaison à perte de mouvement comprend un organe (33) d'application d'une force contre ledit piston plongeur (36) dans le sens tendant à l'éloigner dudit élément de formation du jet (38) et un organe élastique (34) destiné à repousser ledit piston plongeur pour l'appliquer contre

ledit organe d'application d'une force.

4. Ajutage selon la revendication 3, caractérisé en ce que le mécanisme de commande comprend une tige (24) de transmission d'une force destinée à éloigner le piston plongeur (36) de l'élément (38) de formation du jet afin de supprimer le contact entre ce piston et cet élément, ladite tige (24) ayant une section transversale supérieure à celle de la face d'obturation étanche du piston plongeur, de manière que la présence du fluide sous haute pression dans

ladite cage (21) contribue à l'ouverture de ladite soupape.

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ill

5. Ajutage selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend par ailleurs des éléments (23) formant plusieurs canaux entre l'admission (22) et la sortie du fluide sous haute pression afin de réduire la turbulence dans ce fluide.

6. Ajutage selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite tige (24) est disposée dans l'axe de ladite cage (21) et lesdits canaux multiples sont formés par plusieurs tubes (23) disposés parallèlement à cette tige et lui servant de guide, de manière à mettre le piston plongeur (36) en application contre l'élément (38) de formation du jet.

7. Ajutage selon la revendication 4, caractérisé en ce que le mécanisme de commande comprend un ressort (5) tendant à repousser ladite soupape (26) en position de fermeture et un organe d'actionnement (1) destiné à supprimer

la pression exercée par le ressort sur la soupape (26).-

8. Ajutage selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit élément (38) de formation du jet comprend un orifice (39) dans sa face destinée à former un joint d'étanchéité, cet orifice communiquant avec une région à basse pression, ledit piston 'plongeur (36) comprenant une cavité (37) dans sa face destinée à former le joint d'étanchéité, cette cavité communiquant avec l'orifice (39) de l'élément (38) de formation du jet lorsque le piston plongeur et cet -élément sont en application l'un contre l'autre de manière à former le joint d'étanchéité, ladite cavité étant destinée à accroître la superficie du piston plongeur qui est exposée à la basse-pression lorsque ce piston est appliqué de manière étanche contre l'élément de

formation du jet.