caterpillar Régulation Des Pompes

BASES HYDRAULIQUES LA REGULATION DES POMPES

Vers les distributeurs

Ligne Signal

Centre de perfectionnement FRANCIS MONNOYEUR

Codification 391 S

Ce document est la propriété de BERGERAT MONNOYEUR TRAVAUX PUBLICS et ne peut être communiqué sans son autorisation.

LA REGULATION DES POMPES

TABLE DES MATIERES

PREFACE ............................................................................................................................................... 3 REPRESENTATION DE LA PUISSANCE ............................................................................................... 4 CYLINDREE FIXE ................................................................................................................................... 6 Distributeur à centre ouvert .................................................................................................................. 6 Distributeur à centre fermé................................................................................................................. 10 Exemple d'un circuit sur les chargeuses sur pneus série E............................................................................. 14 Exemple d'un circuit sur le tracteur sur chaînes D10R .................................................................................... 18

CYLINDREE VARIABLE ....................................................................................................................... 20 Distributeur à centre ouvert ................................................................................................................ 20 Pompe de la pelle hydraulique 307.................................................................................................................. 24

Amélioration de la régulation de puissance ........................................................................................ 26 ème

2

amélioration de la régulation de puissance ................................................................................. 28

Application de la régulation de puissance........................................................................................................ 30

Distributeur à centre fermé................................................................................................................. 32 Limitation de la pression par un limiteur de pression principal............................................................ 36 Limitation de la pression par un limiteur de pression sur la ligne signal de la balance de pression .... 38 Limitation de la pression par un limiteur de pression en alimentation du vérin d'inclinaison ............... 40 Exemple sur la pompe de frein d'un tombereau articulé de la série E II.......................................................... 42

Principe du Load sensing ................................................................................................................... 44 Le tiroir LS.......................................................................................................................................... 46 Le tiroir de coupure ............................................................................................................................ 48 La régulation Load Sensing................................................................................................................ 50 Coupe technologique d'une pompe équipée d'une régulation LS.................................................................... 54

La régulation Load Sensing équipée d'une régulation de puissance .................................................. 56 Remarques sur les régulations load sensing...................................................................................... 60

Rédigé par : Roger LECULLIEZ CPFM

Vérifié par : Référence document : 391 S

Approuvé par : Jean Louis Dalloz Version : Page :

2

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PREFACE

Ce document présente les différents types de régulation qui permettent le changement de cylindrée des pompes. La régulation est justifiée par les problèmes de fonctionnement constatés avec l'utilisation des pompes à cylindrées fixe. Le document commence avec un circuit simple équipé d'une pompe à cylindrée fixe et fini par la régulation load sensing. Chacune des solutions proposées est illustrée par une application machine.

Les illustrations schémas machines et coupes technologiques permettent la justification des systèmes présentés. Ils ne sont pas prévus pour une étude détaillée, l'approfondissement fait l'objet de documents spécifiques.

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REPRESENTATION DE LA PUISSANCE

Interprétation mathématique de la puissance Le débit et la pression peuvent être assimilés à la longueur et à la largeur d'un rectangle. La puissance correspond à la surface d'un rectangle.

Pour permettre les comparaisons, sauf cas particuliers, toutes les différentes solutions proposées dans le document utilisent ; - un débit de pompe Qp de 60 l/mn; - un débit d'alimentation du vérin Qv de 30 l/mn; - une pression correspondant à la charge Pv de 150 bars; - une pression maximum de 300 bars. - débit de purge 1 l/mn - ∆P de A ou B vers T = 0 Ces valeurs ne correspondent pas aux réalités des machines. Aucun rendement n'est pris en compte.

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REPRESENTATION DE LA PUISSANCE

Pression

300 b

Longueur

Surface = Puissance

150 b

0

Largeur

30 l/mn

60 l/mn

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CYLINDREE FIXE Distributeur à centre ouvert

Application, - circuit type chargeuse sur pneus lorsqu'un seul vérin est en service - Circuit d'équipement de pipelayer … Bilan des puissances utiles et perdues lors du mouvement d'un vérin sous débit réduit et charge réduite. Puissance installée. Puissance nécessaire pour entraîner la pompe à cylindrée fixe sous la pression maximum réglée par le limiteur de pression. Puissance =

Débit × Pression 60 l/mn × 300 b = = 30 kW Correcteur d' unité 600

Puissance utile Puissance correspondant au débit qui pénètre dans le vérin sous la pression engendrée par la charge. Puissance =

30 l/mn × 150 b = 7,5 kW 600

Puissance perdue Puissance correspondant au débit traversant le distributeur vers le réservoir sous la pression de pompe. Puissance =

30 l/mn × 150 b = 7,5 kW 600

Puissance absorbée Puissance sortie du moteur, correspondant à la puissance utile plus la puissance perdue. Puissance =

60 l/mn × 150 b = 15 kW 600

Commentaires L'alimentation du vérin est supposée sans restriction dans le distributeur, P vers A ou B. La vidange du vérin est considérée sans restriction dans le distributeur, A ou B vers T La puissance perdue est d'autant plus grande que ; - le débit d'alimentation du vérin est réduit, - la pression imposée par la charge est importante.

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CYLINDREE FIXE Distributeur à centre ouvert

Distributeur à centre ouvert Déplacement du vérin, Qv 30 l/mn, Pv, 150 b

L P= 300 b

Qp= 60 l/mn

Qv= 30 l/mn Pv= 150 b

P

Pression

300 b

150 b

Puissance installée = 30 kW

Utile = 7,5 kW

Perte = 7,5 kW

Débit 0

30 l/mn

60 l/mn

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CYLINDREE FIXE Distributeur à centre ouvert

Bilan des puissances utiles et perdues, le vérin en bout de course est alimenté à travers le distributeur partiellement ouvert. Puissance utile. Puissance correspondant au débit nul, (l'huile ne pénètre pas dans le vérin) sous la pression imposée par l'ouverture du limiteur de pression. Puissance =

0 l/mn × 300 b = 0 Kw 600

Puissance perdue. Puissance correspondant au débit traversant le limiteur de pression à la pression supportée par le débit de la pompe plus la puissance perdue par laminage dans le distributeur. Puissance =

60 l/mn × 300 b = 30 Kw 600

Puissance absorbée. Puissance sortie du moteur, correspondant à la puissance utile (nulle) plus la puissance perdue. Puissance =

60 l/mn × 300 b = 30 Kw 600

Commentaires. La pression supportée par la pompe est imposée par le laminage du distributeur, P vers T. La position du distributeur détermine une ∆P qui peut évoluer entre 150 bars correspondant à la charge sur le vérin et 300 bars lorsque le vérin est en butée. La puissance absorbée évolue en conséquence. Si le laminage du distributeur génère une pression telle que le limiteur de pression est ouvert, la puissance absorbée est maximum. La puissance absorbée se répartie entre la perte par le passage du débit à travers le limiteur de pression et le laminage à travers le passage P vers T du distributeur.

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CYLINDREE FIXE Distributeur à centre ouvert

Distributeur à centre ouvert partiellement ouvert Vérin en butée

L P= 300 b

Qp= 60 l/mn P

Pression

Perte = 15 à 30 kW

300 b

150 b

Débit 0

30 l/mn

60 l/mn

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CYLINDREE FIXE Distributeur à centre fermé

Ce type de circuit n'a pas d'application en hydraulique d'équipement, par contre il présente des analogies avec les circuits de pilotage et les circuits de transmission. Fonctionnement au neutre, le distributeur ne permet pas le passage du débit de la pompe vers le réservoir. Le débit de la pompe n'a pas d'autre solution que d'ouvrir le limiteur de pression et contraindre la pompe à supporter la pression maximum, la puissance perdue est maximum. Bilan des puissances utiles et perdues lors du mouvement d'un vérin sous débit réduit et charge réduite. Puissance utile. Puissance =

30 l/mn × 150 b = 7,5 kW 600

Puissance perdue. La puissance perdue correspond au débit traversant le distributeur vers le vérin sous la différence de pression pompe / vérin, plus la puissance perdue par le passage du débit à travers le limiteur de pression. Puissance =

30 l/mn × (300 b − 150 b) 30 l/mn × 300 b + = 7,5 + 15 = 22,5 kW 600 600

Puissance absorbée. Puissance sortie du moteur, correspondant à la puissance utile plus la puissance perdue. Puissance =

60 l/mn × 300 b = 30 kW 600

Commentaires. Il y a un gaspillage de puissance par laminage au limiteur de pression dans la mesure ou le distributeur ne peut pas faire circuler tout le débit de la pompe. Le gaspillage est maximum lorsque le distributeur est au neutre, il faut réduire la pression supportée par la pompe pour réduire la puissance gaspillée. La pression maximum est imposée par le ressort du limiteur de pression, il faut réduire la force du ressort.

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CYLINDREE FIXE Distributeur à centre fermé

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Distributeur à centre fermé Déplacement du vérin, Qv 30 l/mn, Pv, 150 b

L P= 300 b

P

Qp= 60 l/mn

Qv= 30 l/mn Pv= 150 b

Pression

300 b

7,5 kW

15 kW

Perte = 22,5 kW

P

150 b

7,5 kW

Débit 0

30 l/mn

60 l/mn

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CYLINDREE FIXE Distributeur à centre fermé

Diminution de la puissance gaspillée par limitation de la pression de pompe. Un deuxième limiteur de pression réglé à 10 bars est installé en sortie de pompe, la pression installée est désignée pression d'attente ou pression stand by. 60 l/mn × 10 b = 1 kW La puissance absorbée au neutre est réduite à 600 Le réglage à 10 bars ne permet pas le travail du vérin, le réglage de ce limiteur de pression doit être renforcé par une information (signal) prélevée sur l'alimentation du vérin. Ce limiteur de pression est du type piloté externe, il est parfois désigné régulateur de débit ou balance de pression. Bilan des puissances utiles et perdues lors du mouvement du vérin. Puissance utile. Puissance =

30 l/mn × 150 b = 7,5 kW 600

Puissance perdue. La puissance perdue correspond au débit traversant le distributeur vers le vérin sous la différence de pression pompe / vérin, plus la puissance perdue par le passage du débit à travers le limiteur de pression. 30 l/mn × (160 b − 150 b) 30 l/mn × 160 b Puissance = + = 0,5 + 8 = 8,5 kW 600 600 perte distributeur perte limiteur Puissance absorbée. Puissance sortie du moteur, correspondant à la puissance utile plus la puissance perdue. 60 l/mn × 160 b = 16 kW Puissance = 600 Commentaires. En alimentation du vérin avec un débit inférieur au débit de la pompe, la pression supportée par la pompe est toujours supérieure de 10 bars à celle supportée par le vérin. La pression en refoulement de la pompe est imposée par la force du ressort du limiteur de pression aidé par la pression du vérin, le système n'est plus limité en pression. Il est nécessaire d'installer une protection de pression, deux solutions sont possibles; 391 un limiteur de pression (principal) en dérivation sur le débit de la pompe, voir illustration ci contre et application page suivante. 391 un limiteur de pression sur la ligne signal, voir page 16 et application page 18. Centre de Perfectionnement Francis Monnoyeur

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE FIXE Distributeur à centre fermé

Pompe à cylindrée fixe Distributeur à centre fermé Déplacement du vérin, Qv = 30 l/mn, Pv = 150 b

L P= 300 b

Pb= 10 b P

Qp= 60 l/mn

Qv= 30 l/mn Pv= 150 b

Pression

300 b

Perte = 8,5 kW

P 160 b 150 b

0,5 kW 7,5 kW

8 kW

Débit 0

30 l/mn

60 l/mn

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE FIXE Distributeur à centre fermé

Exemple d'un circuit sur les chargeuses sur pneus série E Les chargeuses de la série E et quelques-unes plus anciennes, les tracteurs sur chaînes D6H, D7H équipés d'une pompe à engrenages utilisent deux limiteurs de pression ; 391 un limiteur de pression piloté par le signal équipement pour la protection au neutre, 391 un limiteur de pression principal à étage pilote en protection de pression maximum. Cette technologie n'est pas reprise sur les chargeuses qui ont suivi. Elle est reprise sur les tracteurs sur chaînes à direction par embrayage latéraux équipés d'une pompe à cylindrée fixe (non distribués par Bergerat Monnoyeur). Illustration, circuit de la chargeuse sur pneus 936. L'ensemble 7 et 8 réalisent la protection au neutre et évacuent le débit excédentaire pendant une phase de travail à ouverture partielle du distributeur. Cet ensemble travail en régulateur de débit. Le signal est récupéré par les sélecteurs de circuit 12 et 13. Le limiteur de pression 2 protège le circuit à pression maximum.

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE FIXE Distributeur à centre fermé

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE FIXE Distributeur à centre fermé

Protection par limitation de la pression signal. Un limiteur de pression est installé sur la ligne signal, l'alimentation de l'ensemble est faite à travers une restriction. Le débit à évacué sur la ligne signal est faible, le limiteur de pression est de petit calibre. Le réglage de ce limiteur de pression à 290 bars tient compte du réglage du limiteur de pression principal à 10 bars. Un seul tiroir de gros calibre est nécessaire pour évacuer le débit de la pompe. Commentaires. Cette solution permet de réduire le paramètre pression en sortie de la pompe au plus prés du besoin imposé par la charge du vérin. La puissance gaspillée restante est générée par le débit excédentaire de la pompe. Pour réduire ce débit inutile, il faut changer le type de pompe et installer une pompe à cylindrée variable. Application. Cette solution trouve beaucoup d'application. Ce type de circuit était couramment utilisé sur les anciens tracteurs sur chaînes comme le D8K et D8L. Il est toujours d'actualité sur les gros tracteurs sur chaînes types D10R, D11N. Ce type de circuit est utilisé sur les circuits de direction de service et de secours. Il est utilisé sur le circuit de lame des tracteurs sur pneus …

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CYLINDREE FIXE Distributeur à centre fermé

LA REGULATION DES POMPES

Pompe à cylindrée fixe Distributeur à centre fermé Déplacement du vérin, Qv = 30 l/mn, Pv = 150 b

L P= 290 b

Pb= 10 b P

Qp= 60 l/mn

Qv= 30 l/mn Pv= 150 b

Pression

300 b

Perte = 8,5 kW

P 160 b 150 b

0,5 kW 7,5 kW

8 kW

Débit 0

30 l/mn

60 l/mn

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE FIXE Distributeur à centre fermé

Exemple d'un circuit sur le tracteur sur chaînes D10R L'équipement, lame et ripper, fonctionne en cumul de 2 pompes à palettes. Au neutre, le débit est bloqué par les distributeurs en centre fermé. Le débit est évacué par le limiteur de pression principal (à gauche) sous une pression de 550 kPa imposé par la force du ressort du boisseau Le limiteur de pression de tilt (en haut) réglé à 19 300 kPa reste fermé. Equipement au travail, le ressort du limiteur de pression principal est renforcé par un signal correspondant à la pression de l'équipement en service. La pompe supporte une pression équivalente à la pression d'équipement plus la pression de 500 kPa nécessaire pour comprimé le ressort. La pression pompe est limitée lorsque le signal est stabilisé par l'étage pilote, le limiteur de pression principal est alors réglé à 18 600 kPa.

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE FIXE Distributeur à centre fermé

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE Distributeur à centre ouvert

Principe d'une régulation de puissance. La pompe est à cylindrée variable. La cylindrée est toujours maximum en position de repos par l'action d'un ressort. Le débit généré à la mise en fonctionnement permet le remplissage du circuit et permet le fonctionnement des systèmes. Une cylindrée réduite et à plus forte raison nulle au repos ne permet pas le remplissage des circuits, le système ne sait pas que l'entraînement de la pompe est en fonctionnement. La réduction de cylindrée est obtenue par l'action d'un vérin d'inclinaison (actuator) qui agit contre un ressort de rappel. Une pression de 200 bars (à titre d'exemple) est nécessaire dans le vérin pour équilibrer la force du ressort. Alimentation du vérin de changement de cylindrée. La solution la plus simple pour alimenter le vérin de changement de cylindrée consiste à le connecter directement sur le refoulement de la pompe. Fonctionnement sous pression faible ( exemple 150 bars). La pression installée dans le vérin de changement de cylindrée n'est pas suffisante pour écraser le ressort. Le débit reste maximum, la pompe se comporte comme une pompe à cylindrée fixe. A 200 bars de pression en refoulement de la pompe, le vérin équilibre la force du ressort. La puissance absorbée est de 20 kW. En théorie la raideur du ressort est déterminée pour maintenir la puissance absorbée à 20 kW lorsque la pression continue à s'élevée. La section du vérin impose un gros ressort pour résister à la force hydraulique générée à la pression de début de régulation. Cet inconvénient est supprimé par l'utilisation d'un tiroir piloté, voir page 26. Application. Ce type de circuit, actuator contre ressort, se retrouve sur d'anciennes pelles hydrauliques 200 sur pneus et sur les pelles actuelles 302.5 à 307, (voir page 24).

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CYLINDREE VARIABLE Distributeur à centre ouvert

LA REGULATION DES POMPES

Pompe à cylindrée variable Distributeur à centre ouvert Déplacement du vérin, Qv = 30 l/mn, Pv = 150 b

L P= 300 b Rappel = 200b + Qp maxi = 60 l/mn P

Qv= 30 l/mn Pv= 150 b

Pression

300 b

200 b 150 b

Utile = 7,5 kW

Perte = 7,5 kW

Débit 0

30 l/mn

60 l/mn

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE Distributeur à centre ouvert

Principe d'une régulation de puissance, (suite). Fonctionnement sous pression importante, (exemple 250 bars). La pression installée dans le vérin créée une force hydraulique supérieure à la force du ressort. La force hydraulique réduit la cylindrée. La réduction de cylindrée augmente la force du ressort de rappel, la force hydraulique doit augmenter pour continuer à réduire le débit. Le système trouve une position d'équilibre, à une valeur de pression correspond une valeur de débit. On obtient ainsi une régulation de puissance très simple capable de fonctionner mais qui présente quelques inconvénients. 391 Le ressort est énorme pour pouvoir s'opposer à la force hydraulique du vérin de changement de cylindrée sous 200 bars et plus. 391 Le ressort, en raison de sa taille manque de sensibilité pour réagir à de petits écarts de pression. 391 Le débit de la pompe est fonction de la pression en refoulement, pour une valeur de pression vérin supérieure à la pression de début de régulation la pompe adapte son débit et se comporte comme une pompe à cylindrée fixe. Il y a un gaspillage de puissance si le débit absorbé par le vérin est inférieur à celui fourni par la pompe.

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CYLINDREE VARIABLE Distributeur à centre ouvert

LA REGULATION DES POMPES

Pompe à cylindrée variable Distributeur à centre ouvert Déplacement du vérin, Qv = 30 l/mn, Pv = 250 b

L P= 300 b Rappel = 200b + Qp= 48 l/mn 18 l/mn

P

Qv= 30 l/mn Pv= 250 b

Pression

300 b 250 b 200 b

Point de début de régulation

Utile = 12,5 kW

Perte 7,5 kW

Débit 0

30 l/mn

60 l/mn 48 l/mn

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE Distributeur à centre ouvert

Pompe de la pelle hydraulique 307 Ce type de pompe équipe les pelles hydrauliques 303.5, 304.5 et 307. La régulation à puissance constante est réalisée par l'action de la pression dans un vérin en opposition à la force des ressorts. La raideur d'un ressort détermine une courbe de régulation droite qui ne suit pas la courbe de puissance constante. L'installation de deux ressorts qui travaillent d'abord l'un seul puis les deux ensembles permet de casser la droite et de coller plus prés de la courbe de puissance constante.

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CYLINDREE VARIABLE

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Distributeur à centre ouvert

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE Amélioration de la régulation de puissance

Un tiroir distributeur appelé tiroir de puissance est intercalé entre le débit de la pompe et le vérin de changement de cylindrée. La force du ressort du tiroir de puissance est liée à la cylindrée de la pompe, on obtient ainsi une régulation de puissance constante performante. L'information pression de pompe agit en bout du tiroir sur une surface beaucoup plus petite que la section du vérin de changement de cylindrée, le ressort en opposition à une taille réduite. Une amélioration peut encore réduire la force du ressort, voir page suivante. Fonctionnement plein débit vers le vérin d'équipement, pression en dessous du point de début de régulation, la pompe se comporte comme une pompe à cylindrée fixe. En grande cylindrée, la force du ressort de régulation est réduite, (200 bars dans l'exemple). Fonctionnement plein débit vers le vérin, pression légèrement au-dessus du point de début de régulation, la cylindrée de la pompe est en position d'équilibre sous une pression légèrement supérieure à 200 bars. La régulation permet de travailler avec tout le débit disponible vers le vérin sans absorber plus que la puissance du moteur. Fonctionnement plein débit vers le vérin, pression proche de la fin de régulation, la force du ressort est augmentée par la diminution de la cylindrée, la pompe est en position d'équilibre sous haute pression. Commentaires. En plein débit vers le vérin, la puissance absorbée est constante entre le début et la fin de la régulation. La fin de la régulation est déterminée par la pression maximum supportée par le circuit. En fonctionnement sous charge et débit réduit vers le vérin, la pression en sortie de pompe est imposée par le laminage à travers le distributeur. La perte de puissance est importante si la pression maxi est réalisée par l'ouverture d'un limiteur de pression. Ce problème n'existe pas si cette régulation de puissance est intégrée dans une régulation load sensing. Par contre un tel ensemble n'est pas capable de se limiter en pression maximum, deux solutions sont possibles pour protéger le circuit ; 391 un limiteur de pression en dérivation sur le débit de la pompe, (puissance absorbée à l'ouverture), 391 un tiroir de coupure, régulation load sensing. Centre de Perfectionnement Francis Monnoyeur

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE Amélioration de la régulation de puissance

Pompe à cylindrée variable Distributeur à centre ouvert Déplacement du vérin, Qv = 30 l/mn, Pv = 250 b

200 b

L P= 300 b

Qp maxi = 60 l/mn Qp mini = 40 l/mn

Qv= 30 l/mn Pv= 250 b

P

Pression

300 b Puissance installée = 20kW

250 b 200 b

Point de début de régulation Utile = 12,5 kW

Perte 7,5 kW P

Débit 0

30 l/mn

48 l/mn

60 l/mn

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LA REGULATION DES POMPES

ème

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CYLINDREE VARIABLE amélioration de la régulation de puissance

L'information pression de pompe agit sur un épaulement en bout du tiroir sur une surface minuscule. L'extrémité du tiroir peut être enfermée pour recevoir une information signal qui permet d'influencer le début de régulation. L'information extérieure de faible pression aide plus ou moins la pression de pompe à contrôler le débit. Un signal faible impose une pression de pompe importante pour réduire la cylindrée, la puissance absorbée est importante. Un signal important réduit la pression de pompe nécessaire pour diminuer la cylindrée, la puissance absorbée est faible. Cette particularité permet d'obtenir trois modes de puissance, l'information extérieure est gérée généralement par un système électronique. Cette technologie est couramment utilisée sur les pompes d'équipement des pelles hydrauliques, voir page suivante.

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LA REGULATION DES POMPES

ème

2

CYLINDREE VARIABLE amélioration de la régulation de puissance

Pompe à cylindrée variable Distributeur à centre ouvert Déplacement du vérin, Qv = 30 l/mn, Pv = 250 b

200 b

L P= 300 b Signal

Qp maxi = 60 l/mn Qp mini = 40 l/mn

Qv= 30 l/mn Pv= 250 b

P

Pression

300 b Puissance installée = 20kW

250 b 200 b

Point de début de régulation Utile = 12,5 kW

Perte 7,5 kW P

Débit 0

30 l/mn

48 l/mn

60 l/mn

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE 2ème amélioration de la régulation de puissance

Application de la régulation de puissance Action de la pression de refoulement sur une différence de section. Action d'un signal externe (PS) en complément de la pression de refoulement

Schéma des pompes hydrauliques de pelles type 320B. Les pelles fonctionnent avec deux pompes qui s'échangent mutuellement les informations pression de refoulement. Les tiroirs possèdent deux épaulements de même surface. Un piston supplémentaire NFC installé en bout agit sur le tiroir de régulation, il permet une diminution de débit lorsque les distributeurs sont au repos.

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE 2ème amélioration de la régulation de puissance

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE Distributeur à centre fermé

Limitation de la puissance absorbée au neutre. Equipement au repos, la pompe est maintenue en cylindrée maximum par un ressort de rappel de 15 bars. La pompe débite vers le distributeur à centre fermé. La pression est limitée par un limiteur de pression piloté externe. La pression de pompe ouvre le limiteur de pression à 10 bars, le débit évacué alimente le vérin d'inclinaison de pompe. A 10 bars, la pression de pompe est insuffisante pour vaincre les forces de rappel, la cylindrée reste en position maxi, la pression pompe continue à augmenter. Le changement de cylindrée se fait sous une pression de 15 bars correspondant à la pression d'attente (stand by), non réglable. La cylindrée génère un débit pour compenser le débit de fuite consommé par la restriction de purge et les autres fuites internes de pompe et circuit. Ce débit évite la position cylindrée nulle et permet une position d'équilibre stable. Puissance absorbée. Puissance =

1 l/mn × 15 b = 0,025 kW 600

Remarque. Ce système n'est pas utilisé tel que présenté ci-dessus mais il constitue la base de la régulation Load Sensing, le limiteur de pression correspond au tiroir LS, explication page 40.

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CYLINDREE VARIABLE Distributeur à centre fermé

LA REGULATION DES POMPES

Pompe à cylindrée variable Distributeur à centre fermé Déplacement du vérin, Qv = 0 l/mn, Pv = 150 b

Q = 1 l/mn L P = 10 b Rappel = 15 b + Qp maxi = 60 l/mn Qv= 0 l/mn Pv= 150 b

Pression

300 b

Perte = 0,025 kW 1 l/mn

Rappel = 15 b

10 b

15 b 0

1 l/mn

Débit 60 l/mn

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE Distributeur à centre fermé

Bilan des puissances utiles et perdues lors du mouvement d'un vérin sous débit réduit et charge réduite. Puissance utile. La puissance correspond au débit qui pénètre dans le vérin sous la pression engendrée par la charge. 30 l/mn × 150 b Puissance = = 7,5 kW 600 Puissance perdue. La puissance correspond au débit traversant le distributeur vers le vérin sous la différence de pression pompe / vérin plus la puissance générée par le passage d'un débit de fuite de la balance de pression sous la différence de pression pompe / réservoir. 30 l/mn × (160 b − 150 b) 1 l/mn × 160 b + = 0,5 + 0,27 = 0,77 kW Puissance = 600 600 Puissance absorbée. La puissance sortie du moteur correspond à la puissance utile plus la puissance perdue. 31 l/mn × 160 b Puissance = = 8,27 kW 600 Commentaires. Le limiteur de pression adapte la pression de refoulement de la pompe par rapport à la pression du vérin. Le limiteur de pression et le vérin d'inclinaison adaptent le débit de la pompe pour maintenir une ∆P pression de pompe / pression vérin équivalente à la force du ressort du limiteur de pression. Pour une position d'ouverture du distributeur, le débit vers le vérin est constant quelle que soit la charge. 2

La relation ∆P = KQ permet le calcul du débit qui circule à travers un orifice. ∆P = différence de pression, Q = débit Le coefficient K dépend de la restriction (passage à travers le distributeur) et d'elle seule. La relation permet d'écrire Q=

∆P K

∆P constante pour K constant implique Q constant. Le limiteur de pression permet le fonctionnement sous une très haute pression sans protéger le circuit. Il est nécessaire d'installer un autre composant pour protéger le circuit, plusieurs solutions sont possibles. 391 Un limiteur de pression principal en dérivation sur le débit de pompe. 391 Un limiteur de pression sur la ligne signal. 391 L'annulation du débit par un limiteur de pression en alimentation du vérin d'inclinaison de la pompe. Centre de Perfectionnement Francis Monnoyeur

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CYLINDREE VARIABLE Distributeur à centre fermé

LA REGULATION DES POMPES

Pompe à cylindrée variable Distributeur à centre fermé Déplacement du vérin, Qv = 30 l/mn, Pv = 150 b

Q = 1 l/mn L P = 10 b P

Rappel = 15 b + Qp maxi = 60 l/mn

Qv= 30 l/mn Pv= 150 b

Pression

300 b

160 b 150 b

Perte = 0,77 kW

0,5 kW 7,5 kW

0,27 kW 1l/mn 160 b

Débit 0

30 l/mn

60 l/mn

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE Limitation de la pression par un limiteur de pression principal

La balance de pression évacue le débit au neutre et s'adapte à la charge du circuit en fonctionnement par contre elle ne peu pas limiter la pression. Une solution simple consiste à installer un limiteur de pression en dérivation sur le refoulement de la pompe. Fonctionnement avec Pv inférieur à 290 bars. Le limiteur de pression principal reste fermé, système fonctionne comme décrit page précédente. Fonctionnement avec Pv supérieure à 290 bars. La pression de pompe atteint 300 bars, le limiteur de pression principal s'ouvre. La balance de pression s'équilibre et se ferme. Le vérin d'inclinaison n'est plus alimenté, la pompe se positionne en cylindrée maximum. Tout le débit est évacué par le limiteur de pression principal. La puissance absorbée est maximum = puissance gaspillée maximum rendement de la machine = 0. Puissance =

60 l/mn × 300 b = 300 kW 600

Cette solution n'est pas satisfaisante, il existe d'autres solutions pour limiter la pression sans absorber toute la puissance installée. Cependant elle est installée en complément d'une régulation load sensing afin de résoudre des problèmes de fonctionnement propre à ce type de régulation, explication page 60.

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE Limitation de la pression par un limiteur de pression principal

Pompe à cylindrée variable Distributeur à centre fermé Déplacement du vérin, Qv = 30 l/mn, Pv = sup à 290 bars

Q = 1 l/mn

Rappel = 15 b +

P

10 b 300 b Qp maxi = 60 l/mn

Qv= 30 l/mn Pv= sup à 290 b

Pression

300 b

Perte = 30 kW

300 b

Débit 0

60 l/mn

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE Limitation de la pression par un limiteur de pression sur la ligne signal de la balance de pression

Cette solution reprend le principe appliqué à une pompe à cylindrée fixe expliqué page 16. Fonctionnement avec Pv inférieur à 290 bars. Le limiteur de pression de la ligne signal reste fermé, système fonctionne comme décrit page précédente. Fonctionnement avec Pv supèrieure à 290 bars. Le limiteur de pression de la ligne signal s'ouvre, la pression de charge de la balance de pression est stabilisé à 290 bars. La pression de pompe est limitée à 290 bars+ 10 bars = 300 bars. Le débit en retour au réservoir correspond aux débits de fuites, le débit excédentaire installe une pression importante. Une montée de pression en refoulement de pompe supérieure à 300 bars déséquilibre la balance de pression qui alimente le vérin de changement de cylindrée. La pompe se cale en cylindrée réduite, le débit correspond aux débits de fuites. Puissance perdue = puissance absorbée. Puissance =

2 l/mn × 300 b = 1 kW 600

Le principe présenté n'à pas d'application tel quel mais il est intégré dans le circuit de la pompe load sensing des chargeuses à bras télescopique. Il résout un problème particulier lié à la présence des balances de pression sur les lignes d'équipement.

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE Limitation de la pression par un limiteur de pression sur la ligne signal de la balance de pression

Pompe à cylindrée variable Distributeur à centre fermé Déplacement du vérin, Qv = 30 l/mn, Pv = sup. à 300 b

Q = 1 l/mn Pb= 10 b Rappel = 15 b

L P= 290 b Q = 1 l/mn P

+ Qp maxi= 60 l/mn

Qv= 30 l/mn Pv= sup. à 290 b

Pression

300 b

Perte = 1 kW

Débit 0

2 l/mn

60 l/mn

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE Limitation de la pression par un limiteur de pression en alimentation du vérin d'inclinaison

La limitation de la pression sortie pompe par un limiteur de pression en alimentation du vérin d'inclinaison constitue le principe d'une régulation à pression constante. Le vérin de changement de cylindrée est alimenté par le débit en vidange du limiteur de pression réglé à 300 bars. Ce débit ne pouvant pas circuler librement vers le réservoir monte en pression, le vérin déplace la cylindrée de pompe vers la position débit minimum. Une restriction (1 l/mn) permet une purge constante pour permettre un retour en cylindrée maximum. La cylindrée trouve une position d'équilibre, la pompe assure l'alimentation du distributeur et la compensation des fuites en maintenant la pression d'ouverture du limiteur. Cette solution réduit la puissance gaspillée par diminution du débit, la pression en refoulement de la pompe est maximum. Bilan des puissances utiles et perdues lors du mouvement d'un vérin en charge. Puissance utile. Puissance =

30 l/mn × 150 b = 7,5 kW 600

Puissance perdue. Puissance correspondant au débit traversant le distributeur vers le vérin sous la différence de pression pompe / vérin, plus la puissance correspondant au débit traversant le limiteur à la pression de pompe. Puissance =

30 l/mn × (300 b − 150 b) 1 l/mn × 300 b + = 7,5 + 0,5 = 8 kW 600 600

Puissance absorbée. Puissance sortie du moteur, correspondant à la puissance utile plus la puissance perdue. 31 l/mn × 300 b Puissance = = 15,5 kW 600 Applications. Cette technologie trouve plusieurs applications ; 391 Alimentation des circuits de frein des tombereaux articulés E II et 700. 391 Alimentation de la suspension d'attelage des décapeuses E, F et G … Elle s'intègre dans la régulation load sensing.

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE Limitation de la pression par un limiteur de pression en alimentation du vérin d'inclinaison

Pompe à cylindrée variable Distributeur à centre fermé Déplacement du vérin, Qv = 30 l/mn, Pv = 150 b

Q = 1 l/mn L P= 300 b P

Rappel = 15 b + Qp maxi = 60 l/mn

Qv= 30 l/mn Pv= 150 b

Pression

300 b

7,5 kW

Perte = 8 kW

0,5 kW

300 b 150 b

7,5 kW 1 l/mn

Débit 0

30 l/mn

60 l/mn

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE Limitation de la pression par un limiteur de pression en alimentation du vérin d'inclinaison

Exemple sur la pompe de frein d'un tombereau articulé de la série E II. Le circuit de frein des tombereaux articulés de la série E II fonctionnent sous pression constante. Le débit est fourni par une pompe à cylindrée variable en alimentation directe sur les réductions de pression de la valve de frein. La pression est limitée par annulation du débit réalisé par le tiroir de coupure. Remarques. Le constructeur sécurise le système par un limiteur de pression installé en dérivation sur le refoulement de la pompe. Les tombereaux articulés de la série 700 reprennent le même principe mais utilise une pompe à régulation load sensing avec le tiroir LS bloqué mécaniquement. Schéma du circuit de frein des tombereaux articulés 725 et 730.

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE Limitation de la pression par un limiteur de pression en alimentation du vérin d'inclinaison

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE Principe du Load sensing

Dans son principe, le système Load sensing utilise un limiteur de pression piloté externe et un limiteur de pression simple. En pratique, les composants utilisés ne sont pas des limiteurs de pression ; 391 ils ne permettent pas une durée de vie suffisante, un siège conique ne résiste pas à un fonctionnement continu, 391 ils ne permettent pas la vidange du vérin d'inclinaison. Le système load sensing utilise deux tiroirs.

Bilan des puissances utiles et perdues lors du mouvement d'un vérin sous un débit réduit et une charge réduite. Puissance utile. Puissance =

30 l/mn × 150 b = 7,5 kW 600

Puissance perdue. Puissance =

30 l/mn × (160 b − 150 b) 1 l/mn × 160 b + = 0,5 + 0,27 = 0,77 kW 600 600

Puissance absorbée. Puissance =

31 l/mn × 160 b = 8,27 kW 600

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CYLINDREE VARIABLE Principe du Load sensing

LA REGULATION DES POMPES Pompe à cylindrée variable Distributeur à centre fermé Déplacement du vérin, Qv = 30 l/mn, Pv = 150 b

Q = 1 l/mn 300 b

10 b P

Rappel = 15 b + Qp maxi = 60 l/mn

Qv= 30 l/mn Pv= 150 b

Pression

300 b

160 b 150 b

Perte = 0,77 kW

0,5 kW 7,5 kW

0,27 kW 1l/mn 160 b

Débit 0

30 l/mn

60 l/mn

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE Le tiroir LS

Le limiteur de pression piloté externe est remplacé par un tiroir. Pompe à l'arrêt, le ressort de rappel ( ressort LS) du tiroir maintient le tiroir en position de repos. Cette position permet la vidange du vérin d'inclinaison de la pompe, la cylindrée se cale mécaniquement en débit maximum. Equipement au neutre, la ligne signal est à la vidange par le distributeur, le ressort LS est écrasé par l'action de la pression de la pompe. Le tiroir LS permet l'alimentation du vérin d'inclinaison de la pompe. Le débit de la pompe est très faible, il compense les fuites sous une pression faible. Equipement au travail, (illustration), le tiroir trouve une position d'équilibre pour maintenir la ∆P sur le distributeur. Cette position correspond à la position centrale du tiroir, elle est rarement représentée sur les schémas constructeurs. Remarques. L'orifice de purge n'est plus indispensable, cependant il est souvent utilisé pour aider la vidange du vérin d'inclinaison (surtout avec une ligne signal longue qui fait accumulateur). Au repos, le débit de pompe généré pour compenser la fuite permet une position d'équilibre stable. Le distributeur grand ouvert ne fait plus restriction, il n'y a pas de ∆P entre les orifices P et A ou B. La pression de refoulement de la pompe est identique à la pression du signal LS égale la pression dans le vérin. Les forces hydrauliques appliquées sur le tiroir LS s'équilibrent, le ressort positionne le tiroir en position de repos, la pompe se cale en cylindrée maximum. Le retour rapide du distributeur en position de repos provoque un enchaînement d'opérations qui conduit au retour en cylindrée réduite ; 391 Vidange de la ligne signal (effet d'accumulateur, longue à vidangée). 391 Mouvement du tiroir LS (recouvrement nul, temps de réponse négligeable). 391 Alimentation du vérin de changement de cylindrée (remplissage pendant un certain temps de tout le vérin, mouvement angulaire de la cylindrée d'environ 15 à 20°. L'entraînement de la pompe a tourné pendant cette succession d'évènements, un débit a circulé vers le distributeur fermé. Le temps de réaction de la régulation provoque une pointe de pression très importante. Les constructeurs d'engins installent un limiteur de pression (HP) sur le refoulement de la pompe pour protéger le circuit, voir exemple page 60.

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CYLINDREE VARIABLE Le tiroir LS

LA REGULATION DES POMPES Pompe à cylindrée variable Distributeur à centre fermé Déplacement du vérin, Qv = 30 l/mn, Pv = 150 b

Q = 1 l/mn P

10 b + Qp maxi = 60 l/mn

Qv= 30 l/mn Pv= 150 b

Pression

300 b

160 b 150 b

Perte = 0,77 kW

0,5 kW 7,5 kW

1 l/mn 0,27 kW 10 b

Débit 0

30 l/mn

60 l/mn

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE Le tiroir de coupure

Ce schéma de principe correspond à l'exemple de la pompe de frein de tombereaux articulé montrée page 36. Le limiteur de pression de la régulation à pression constante est remplacé par un tiroir dénommé tiroir de coupure. Débit de pompe sous pression faible, le ressort maintient le tiroir en position de repos. Cette position permet la vidange du vérin d'inclinaison de la pompe, la cylindrée se cale mécaniquement en débit maximum.

Débit de pompe sous pression maximum, l'action de la pression écrase le ressort du tiroir. Le tiroir trouve une position d'équilibre pour maintenir l'alimentation du vérin d'inclinaison de la pompe. Cette position correspond à la position centrale du tiroir, elle est rarement représentée sur les schémas constructeurs.

L'orifice de purge n'est plus indispensable, cependant il est souvent utilisé pour aider la vidange du vérin d'inclinaison, le petit débit de pompe généré permet de stabiliser la position de la cylindrée.

Commentaires. Ce tiroir est utilisé en complément du tiroir LS pour sécuriser un circuit. Ce montage est utilisé seul (sans le tiroir LS) pour maintenir une pression élevée constante dans un circuit, (circuit de frein de tombereaux articulés E II par exemple). Les constructeurs ont tendance à installer un limiteur de pression en refoulement de pompe pour sécuriser le circuit en cas de défaillance du tiroir de coupure.

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CYLINDREE VARIABLE Le tiroir de coupure

LA REGULATION DES POMPES

Pompe à cylindrée variable Distributeur à centre fermé Déplacement du vérin, Qv = 30 l/mn, Pv = 150 b

Q = 1 l/mn 300 b P

Qp maxi = 60 l/mn

Qv= 30 l/mn Pv= 150 b

Pression

300 b

Perte = 8 kW

7,5 kW 0,5 kW

1 l/mn 150 b

7,5 kW

300 b

Débit 0

30 l/mn

60 l/mn

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE La régulation Load Sensing

Un ensemble de régulation Load Sensing comprend un tiroir LS et un tiroir de coupure. La ligne d'alimentation / vidange du vérin d'inclinaison est en série à travers les deux tiroirs. La disposition des tiroirs sur le schéma reprend la progression utilisée sur les pages précédente, ce n'est pas la plus simple. Une disposition plus fonctionnelle est généralement utilisée, voir page suivante.

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CYLINDREE VARIABLE La régulation Load Sensing

LA REGULATION DES POMPES

Pompe à cylindrée variable Distributeur à centre fermé Déplacement du vérin, Qv = 30 l/mn, Pv = 150 b

Q = 1 l/mn 10 b

300 b

P

Qp= 60 l/mn

Qv= 30 l/mn Pv= 150 b

Pression

300 b

160 b 150 b

Perte = 0,77 kW

0,5 kW

0,27 kW

7,5 kW

160 b

1 l/mn Débit 0

30 l/mn

60 l/mn

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE La régulation Load Sensing

Représentation schématique d'un ensemble Load Sensing simple.

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE La régulation Load Sensing

Vers les distributeurs

Ligne Signal

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE La régulation Load Sensing

Coupe technologique d'une pompe équipée d'une régulation LS Le tiroir LS se reconnaît à ; 391 la ligne d'information LS est connectée sur la chambre à ressort, 391 la forme extérieure est la plus fine, 391 il est installé contre le plan de joint.

Le tiroir de coupure se reconnaît à ; 391 la forme extérieure est la plus grosse, 391 il est installé à l'opposé du plan de joint.

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CYLINDREE VARIABLE La régulation Load Sensing

LA REGULATION DES POMPES

FLOW COMPENSATOR

ACTUATOR

SIGNAL PUMP OUTPUT YOKE PAD

BIAS SPRING PRESSURE COMPENSATOR

DRIVE SHAFT SWASHPLATE PISTON & BARREL ASSEMBLY

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE La régulation Load Sensing équipée d'une régulation de puissance

Le ressort du tiroir de coupure est lié au changement de cylindrée. Il est transformé en tiroir de régulation à puissance constante tel que décrite page 26. Le tiroir load sensing n'est pas modifié, il adapte le débit de la pompe à la demande de l'utilisateur. Le tiroir de régulation à puissance constante permet de ne pas surcharger le moteur. Ces deux tiroirs ne sont pas capables de protéger l'installation. La protection de pression est assurée par un limiteur de pression installé sur la ligne signal du tiroir load sensing.

Cette technologie est utilisée sur les pompes de pelles sur pneus et les pelles sur chaînes 350 tonnes et plus. Une autre astuce (ressort du limiteur de pression signal lié à la cylindrée) est utilisée sur les pompes de tracto-pelles, voir page suivante.

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE La régulation Load Sensing équipée d'une régulation de puissance

Pompe à cylindrée variable Distributeur à centre fermé Déplacement du vérin, Qv = 30 l/mn, Pv = 150 b

290 b Q = 1 l/mn 200 b

10 b P

Qp maxi = 60 l/mn Qp mini = 40 l/mn

Qv= 30 l/mn Pv= 150 b

Pression

300 b Puissance installée = 20kW

160 b 150 b

Perte = 0,77 kW 0,5 kW 0,27 kW 7,5 kW

Point de début de régulation

160 b

1 l/mn Débit 0

30 l/mn

60 l/mn

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE La régulation Load Sensing équipée d'une régulation de puissance

Représentation schématique d'un ensemble Load Sensing équipé d'une régulation de puissance. Ce type de pompe est installé sur les tracto-pelles.

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE La régulation Load Sensing équipée d'une régulation de puissance

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE Remarques sur les régulations load sensing

La régulation load sensing de base est simple. L'évolution des machines montre que le load sensing est souvent complété par des accessoires, exemple ; 391 un tiroir de purge rapide du signal LS, load sensing orifice spool sur l'illustration page droite. 391 un système mécanique à bras de levier variable en fonction de la cylindrée pour améliorer la courbe de puissance, 391 levier en équerre en appui sur l'actuator piston de l'illustration, 391 un limiteur de pression principal (limiteur HP) en refoulement de pompe pour absorber le débit sur le temps de réaction du système à revenir en cylindrée mini lorsque les distributeurs sont au neutre, main relief valve sur l'illustration Illustration, schéma de la pompe d'équipement des pelles sur pneus de la série 300. La régulation load sensing évolue, aujourd'hui il y a des régulations load sensing 391 avec le signal LS maintenue sous pression au neutre pour augmenter la pression d'attente sans modifier la ∆P au travail, exemple dans les circuits de direction des tracto-pelles, des chargeuses à bras télescopiques et des tombereaux articulés. 391 avec le signal alimenté par le débit de la pompe dans la chambre à ressort du tiroir LS et contrôlé par une fuite au distributeur, exemple le circuit de direction des tombereaux rigides série D et E. 391 avec le signal géré par une valve proportionnelle et un boîtier électronique, exemple la pompe des moteurs du type HEUI. Le load sensing présente beaucoup d'avantages mais possèdes également quelques inconvénients comme par exemple une réaction normale mais gênante lorsque l'équipement est soumis à une charge menante, (annulation du débit en position d'attente).

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LA REGULATION DES POMPES

CYLINDREE VARIABLE Remarques sur les régulations load sensing

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