CINÉMATIQUE DU PLONGEUR

CINÉMATIQUE DU PLONGEUR

Introduction

Depuis la révolution industrielle, de plus en plus de tâches sont automatisées et miniaturisées.

En automation, la pneumatique est un vecteur de force apprécié pour sa vitesse et flexibilité cependant les systèmes pneumatiques sont relativement volumineux. Fluide Automation Système, maintenant IMI Precision engineering , est une entreprise spécialisée dans la pneumatique miniaturisée. Ces vannes de l’ordre du centimètre peuvent être implémentées dans des appareils portatifs.

Elles sont utilisées pour amener de l’oxygène aux plongeurs ou aux pompiers en interventions. Une autre utilisation de ces électrovannes est dans le domaine médical pour la mesure de pression sanguine des patients. Dans cette dernière application, de nombreuses réclamations concernant le bruit des vannes lors des commutations ont été recensées.
Lors des commutations, la bobine de la vanne est excitée ce qui déplace une partie mobile qui laisse passer le gaz. Cette partie mobile émet du bruit lorsqu’elle atteint la fin de course.
Ce bruit est gênant selon le domaine d’application mais de manière plus générale le bruit résulte d’un choc violent engendrant une usure prématurée de la vanne qui n’atteint plus le nombre de cycles prévu.

 But

Le but de ce présent travail de diplôme est de caractériser l’électrovalve PICOSOL  pour déterminer précisément la cause du bruit. La cause connue, différentes solutions doivent être analysées.

Les solutions pertinentes sont testées et leur efficacité caractérisée.
Finalement un rapport sur les différentes analyses et tests menés durant le projet doit être remis à l’entreprise partenaire leur permettant ainsi d’avancer sur la problématique du bruit de leur électrovalve.

 Spécifications

Les spécifications de la vanne modifiée ont été établies en collaboration avec IMI précision et le responsable du travail de diplôme. Elles ont été établies lors de la réunion du 19.05.2017 à Versoix .
– Les caractéristiques de la vanne ne doivent pas être changées (temps d’ouverture, plage d’utilisation ainsi que le débit)*.
– Les dimensions de la vanne doivent rester inchangées car l’enveloppe se fixant sur la vanne doit rester la même*.
– Les électrovalves sont lowpower, la consommation de l’ensemble doit rester faible*.
– Une électrovalve est vendue 5.- l’unité, le surcoût dû aux modifications ne doit pas dépasser 50 centimes par vanne.
– Le bruit émis par la vanne doit être diminué
– Si possible, la durée de vie de l’électrovanne doit être augmentée (pour atteindre les 200 millions de cycles annoncés)*.

 Fonctionnement détaillé

L’ensemble est un électroaimant, un système générateur d’un champ d’induction magnétique composé d’une bobine fixe et d’un réseau ferromagnétique.

Le circuit ferromagnétique est formé par le noyau fixe, le plongeur, la rondelle ainsi que le tube .

Le plongeur étant mobile, il existe des entrefers plus ou moins grands selon sa position.

Les métaux utilisés sont ferromagnétiques. De l’acier Inox magnétique 430FR est utilisé pour le plongeur, noyau fixe et la rondelle. L’acier 430FR s’oxyde en cas d’immersion mais résiste à la corrosion s’il est en contact avec de l’air. De l’acier 35 est utilisé pour le tube.

 Modélisation

Le système est caractérisé et modélisé pour ensuite être analysé.

Une bonne modélisation est primordiale car c’est elle qui servira de base pour comprendre le fonctionnement de la vanne de manière approfondie et permettra de tester diverses alternatives pour diminuer les bruits et les chocs par simulation.

 Hypothèses et simplifications

Pour créer un modèle analytique des hypothèses, sont émises permettant de simplifier le circuit magnétique de la vanne et la cinématique du plongeur. Ces simplifications permettent de calculer rapidement le flux parcourant le circuit magnétique.

Les hypothèses sont :

 *Pas de saturation de l’induction magnétique
 *Un flux uniforme dans la matière
 *Pas de fuite
 *Simplification du circuit ferromagnétique
 Régime établi (pas de constante de temps magnétique, pas de courant de Foucault)
 Pas d’hystérésis lors de la polarisation des parties magnétiques
 Simplification de la géométrie
 Coefficient de rigidité des ressorts constant
 La vanne subit uniquement l’accélération terrestre comme force externe au système
 Simplification de la mécanique des fluides (fonctionnement adiabatique de la vanne, gaz parfait, pas de déplacement de flux d’air)
 Fonctionnement symétrique, pas de force normale à l’axe du plongeur.

Modélisation mécanique

Des plans transmis par IMI precision et des mesures effectuées sur les électrovannes, celleci est modélisée en 3D avec le programme Autodesk Inventor (annexe sur CD n°8). Ce modèle 3D précis sert de référence pour le calcul des volumes. Il permet de faire des analyses modales pour trouver les fréquences propres des pièces . C’est sur cette base que le banc d’essais est construit . Le logiciel Inventor permet aussi de faire les mises en plan pour l’usinage des différentes pièces.

 Calcul analytique

La modélisation analytique permet de dimensionner grossièrement et rapidement le fonctionnement de la vanne. Le système est mis en équations dans Matlab de manière à facilement pouvoir changer les paramètres et trouver rapidement des optimums dans les dimensions et formes lors de l’optimisation .

La modélisation analytique est calculée plus rapidement que la modélisation par éléments finis de par les hypothèses considérées.

La méthode analytique permet de trouver un ordre de grandeur optimal couvrant un large spectre de variables.

La méthode par éléments finis permet d’affiner le modèle calculé par la méthode analytique.

 Force d’attraction

La force d’attraction due au tenseur de Maxwell (ou électromagnétique) peut être calculée de manière analytique ou par simulation . Au point de fonctionnement, le circuit ferromagnétique de l’électrovanne est saturé , les résultats par simulation sont plus fiables pour le calcul de la force d’attraction.
La force électromagnétique dépend de la résistance magnétique totale du circuit ferromagnétique qui varie en fonction des entrefers et donc de la position du plongeur .

Elle dépend aussi du courant d’excitation de la bobine.De l’équation  à , il est possible de mettre en évidence la dépendance de la force avec le  courant et la résistance magnétique.

Courant et tensions

Le courant parcourant la bobine de l’électrovanne est la variable influençant la force d’attraction .

Une bobine peut être modélisée comme un circuit RL avec une source de tension induite en série.

Limites du modèle

Le modèle a des limites dues aux hypothèses faites dans le chapitre
– Le modèle est symétrique, il n y a pas de frottement.
– Les chocs sont considérés comme mous, il n’y a pas de rebond
– l’élasticité des matériaux est négligée, il n’y a pas de déformation
– Le calcul des forces est fait en régime établi, il ne prend pas en compte les courants de Foucault
– La physique des fluides est simplifiée, un dimensionnement de la force de compression avec le modèle n’est pas possible.
– La répartition des énergie lors du contact ne peut pas être déterminée précisément.
L’énergie sonore ne peut pas être quantifiée.

Malgré ces limites, le modèle permet de comprendre en profondeur le fonctionnement de la vanne.

Il permet notamment de déterminer les paramètres important pouvant causer une émission sonore et une dégradation de la vanne.

Il permet de tester rapidement l’efficacité d’hypothèse pouvant réduire le bruit émis par la vanne.

Il permet aussi de dimensionner rapidement des variantes de la vanne en vue d’un test sur un banc d’essais.

Certains paramètres du modèle tels que la force de frottement ou la force de compression sont adaptés en fonction des mesures effectuées  Le modèle se trouve dans les annexes sous forme électronique.

 Mesures

 Prise de vue slow motion

La Cinématique du plongeur  est basée sur des calculs statiques.

De nombreux phénomènes physiques supplémentaires interviennent lorsque les calculs sont dynamiques.
Notamment des constantes de temps lors de l’établissement du courant dans la bobine et du flux dans le circuit ferromagnétique ainsi que les courants de Foucault.

De plus, lorsque le plongeur se déplace, une tension induite s’oppose au déplacement.
Pour déterminer l’importance de ces phénomènes dynamiques, la commutation de la vanne est filmée en slowmotion.

 Recherche de solutions

L’étude approfondie de la vanne permet d’avoir les outils nécessaires pour trouver des solutions appropriées pour diminuer le bruit de la vanne lors des commutations.
La modélisation analytique  permet de connaître les paramètres prédominants dans le comportement de l’électrovanne. Le modèle par élément fini  permet de connaître plus finement les forces ainsi que les effets locaux. Les mesures permettent de mieux comprendre le fonctionnement de la vanne et d’avoir des valeurs de comparaison.

 Recherche bibliographique

Afin de connaître les solutions qui ont déjà été étudiées dans le domaine de la réduction du bruit engendré par des systèmes électromagnétiques, une recherche bibliographique est faite.

 Conclusion

Ce projet s’est focalisé sur un premier dégrossissage des idées permettant de diminuer le bruit et potentiellement augmenter la durée de vie d’une vanne pneumatique miniature pour donner des pistes d’approfondissement pour l’entreprise collaboratrice IMI Precision Engineering.
Les domaines physiques intervenant lors d’une commutation sont complexes et ne peuvent pas être simulés parfaitement. Des hypothèses sont émises et les limites de l’algorithme défini. Le modèle se base sur des équations physiques, des calculs par éléments finis, des mesures ainsi que des vidéos en slow motion. Le modèle permet de comprendre en profondeur le fonctionnement de la vanne ainsi que de déterminer les variables influençant le bruit.
Plus de 18 idées pouvant réduire voir supprimer le bruit ont été analysées sur des critères de faisabilité, répétabilité et de conformité aux spécifications exigées par l’entreprise collaboratrice. Diverses idées intéressantes sont mises en avant telles que, la saturation locale du circuit ferromagnétique, la compression du gaz, la régulation du courant, l’utilisation de la technologie des poudres ou même repenser totalement le fonctionnement de la vanne.
Les solutions les plus pertinentes ont été implémentées et testées sur un banc d’essais élaboré à cet effet.
Des résultats concluants ont été mesurés sur trois des quatre solutions implémentées.
L’utilisation d’un noyau mobile permet de diminuer les basses fréquences sonores émises lors des commutations alors que l’utilisation des technologies des poudres ainsi que l’optimisation de la compression du gaz permet de diminuer les hautes fréquences.

De plus la compression d’air permet aussi de diminuer le bruit lorsque la vanne devient bloquante.
D’autres solutions prometteuses n’ont pas pu être menées à terme, tels que la régulation du courant ou le mécanisme d’ouverture sans contact. Ces solutions peuvent faire l’objet d’un futur développement.

Tous les modèles, codes et documents concernant les idées traitées sont en annexe. Une reprise du projet est ainsi facilitée.

La partie traitant de l’implémentation des modifications des électrovannes dans les chaînes de production en vue d’une production de masse n’a pas été abordée en profondeur dans ce projet.

Cette phase importante doit faire l’objet d’une étude plus approfondie en étroite collaboration avec l’entreprise mandataire.
Pour des raisons d’infrastructure et de temps à disposition, l’augmentation de la durée de vie des vannes avec les modifications implémentées n’a pas pu être chiffrée.

Cette phase statistique doit aussi faire l’objet d’une étude future.

Table des matières

1 INTRODUCTION
2 BUT
3 SPÉCIFICATIONS 
4 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
4.1 FONCTIONNEMENT NIVEAU SYSTÈME 
4.2 FONCTIONNEMENT DÉTAILLÉ
5 MODÉLISATION 
5.1 HYPOTHÈSES ET SIMPLIFICATIONS 
5.2 MODÉLISATION MÉCANIQUE
5.3 CALCUL ANALYTIQUE 
5.4 SIMULATION PAR ÉLÉMENTS FINIS
5.5 SOMMES DES FORCES S’EXERÇANT SUR LE PLONGEUR
5.6 CINÉMATIQUE DU PLONGEUR
5.7 TRANSFERT D’ÉNERGIES
5.8 LIMITES DU MODÈLE
6 MESURES 
6.1 PRISE DE VUE SLOW MOTION
6.2 MESURES DU SON
6.3 ANALYSE DES FRÉQUENCES 
6.4 MESURES DE COURANT
6.5 MESURES DE TEMPÉRATURE

7 RECHERCHE DE SOLUTIONS 
7.1 RECHERCHE BIBLIOGRAPHIQUE
7.2 AMORTISSEMENT DU BRUIT
7.3 RÉDUCTION DU CHOC 
7.4 SUPPRESSION DU CHOC
7.5 DISCRIMINATION DES HYPOTHÈSES
8 ANALYSE DES SOLUTIONS
8.1 BANC DE TEST
8.2 PROCÉDURE DES MESURES 
8.3 DIMENSIONNEMENT ET TEST DES HYPOTHÈSES
8.4 ANALYSE
9 CONCLUSION 

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