Maîtriser le dimensionnement des vannes pneumatiques : Guide pratique

L'air comprimé est largement considéré comme le quatrième service essentiel après l'électricité, le gaz naturel et l'eau. C'est pourquoi la pneumatique est si intégrale à de nombreuses industries. En pneumatique, l'un des aspects les plus critiques du système est la vanne.

Les vannes de contrôle directionnel d'air, en particulier, sont celles qui permettent à l'air de circuler dans un sens ou dans l'autre. Elles contrôlent la direction du flux d'air dans un système pneumatique, et un mauvais dimensionnement peut avoir des conséquences coûteuses comme des dysfonctionnements du système.

Cet article aborde les bases du dimensionnement correct d'une vanne pneumatique et les différentes options de vannes à considérer.

Bases du dimensionnement

Vous devez prendre en compte divers facteurs pour dimensionner correctement une vanne pneumatique. Vous devez comprendre comment cela se fait pour éviter toute erreur potentielle qui pourrait empêcher votre système de fonctionner correctement.

Déterminer la taille avec l'équation de débit

L'une des premières choses à utiliser est l'équation de débit. Ce facteur permet de considérer quel débit une vanne peut fournir à un actionneur. La cote associée utilise généralement le terme « coefficient de vitesse (Cv) ». Ce Cv (aussi appelé débit de vanne) permet de comparer le débit de différentes vannes. Plus la valeur de Cv est élevée, plus le débit est important.

Pour faire correspondre une vanne et un vérin, vous pouvez utiliser l'équation suivante :

Cv = (A × S × a × Cf) ÷ (t × 29)

Les variables de cette formule sont les suivantes :

• A = Surface du piston du vérin (π × r²)
• S = Course du vérin
• t = Temps (en secondes)
• a = Constante de chute de pression
• Cf = Facteur de compression
• (t × 29) = Temps (en secondes) nécessaire pour que la pression passe de la pression initiale à la pression finale

Il convient de noter que les deux dernières variables changent en fonction de la valeur utilisée dans le tableau ou graphique des facteurs de dimensionnement.

Tableau de dimensionnement des vannes

Si vous voulez déterminer rapidement le Cv d'une vanne, vous pouvez également utiliser un tableau de dimensionnement des vannes. Ce tableau comporte généralement diverses valeurs de Cv, les plus courantes étant 0,015 ; 0,030 et 0,060.

Le tableau de dimensionnement vous indiquera le débit d'air maximal pour chaque taille de vanne. Vous pouvez également déterminer la pression requise pour ouvrir et fermer la vanne.

Il convient également de noter que le Cv de la vanne dépend du fabricant. Le tableau de dimensionnement devrait contenir toutes les informations pour déterminer le Cv correct pour vos besoins. De plus, les experts recommandent de surdimensionner la vanne d'environ 25 % pour tenir compte des diverses pertes dans les systèmes pneumatiques.

Si vous voulez être plus précis dans le dimensionnement, vous pouvez également calculer le Cv de chaque composant du système. Cela vous donnera une image plus précise du débit d'air requis.

Conversion du Cv en SCFM et ESEOD (Diamètre d'orifice à arête carrée équivalent)

Il est parfois utile de convertir le Cv d'une vanne en deux autres cotes : pieds cubes standard par minute (SCFM) et diamètre d'orifice à arête carrée équivalent (ESEOD). Ces cotes peuvent être utiles pour déterminer quel débit une vanne peut fournir.

Pour convertir Cv en SCFM, vous pouvez utiliser l'équation suivante :

SCFM = Cv ÷ F

Pour convertir Cv en ESEOD, vous pouvez utiliser l'équation suivante :

ESEOD = (Cv × F) ÷ P

Les variables de ces équations sont :

• P = Pression en PSI
• T = Température en degrés Fahrenheit
• F = Facteur

Gardez à l'esprit que la Pression (P) et le Facteur (F) sont souvent tirés d'un tableau de facteurs de conversion. Disons que vous essayez de convertir votre Cv en SCFM.

La valeur Cv est 0,48 et fonctionne à 100 PSI. Si vous regardez un tableau de facteurs de conversion, vous verrez que 100 PSI équivaut à 0,0177.

Donc :

SCFM = Cv ÷ F

27 (SCFM) = 0,48 (Cv) ÷ 0,0177 (Facteur)

Cela peut aussi être inversé en multipliant le SCFM par le facteur :

SCFM × Facteur = Cv

27 (SCFM) × 0,0177 (Facteur) = 0,48 (Cv)

Différentes options de vannes

En examinant les vannes pneumatiques, vous remarquerez divers types disponibles. Les plus courants sont les suivants :

Vanne 5 ports 4 voies

La vanne 5 ports 4 voies a un port d'échappement distinct pour chaque port de vérin sur la vance. Cela permet d'ajouter des contrôles de débit à l'échappement pour permettre un contrôle séparé de chaque port de vérin. Elle est utilisée le plus souvent pour contrôler un vérin double effet.

Vanne 3 positions, 5 ports 4 voies

Ces vannes sont identiques à une vanne 5 ports 4 voies, sauf qu'elles ont trois positions centrales possibles. Les positions 1 et 3 sont les mêmes qu'avec une vanne 5 ports 4 voies. Cependant, la position centrale permet trois options différentes pour ce qui se passe lorsque la vanne est désactivée : centre d'échappement, centre de pression et centre bloqué. En position centre d'échappement, les deux ports de vérin sont ouverts à l'échappement. En position centre de pression, la pression est appliquée aux deux ports de vérin. Enfin, en position centre bloqué, tous les ports sont bloqués.

Ce type de vanne est également idéal pour les opérations où la tige du vérin doit se déplacer vers une position spécifique et y rester.

Vannes 5 ports vs 4 ports 4 voies

La principale différence entre une vanne à 5 ports et une vanne à 4 ports est que la vanne à 5 ports a un port distinct pour chaque port de vérin, tandis que la vanne à 4 ports a les deux flux d'échappement allant vers le même port d'échappement. Bien que la vanne à 5 ports permette un contrôle facile des vérins double effet, les vannes à 4 ports tendent à être utilisées lorsque ce contrôle séparé n'est pas requis.

Vannes 3 voies vs 4 voies

Les vannes 3 voies diffèrent des vannes 4 voies en ce qu'elles n'ont qu'un seul port de vérin. Dans une application normalement fermée, l'air est acheminé du port d'alimentation vers le port de vérin lorsque la vanne est actionnée. Lorsque la vanne est désactivée, elle ouvre le port de vérin vers l'échappement. Dans une application normalement ouverte, la différence est que l'air circule du port d'alimentation vers le port de vérin lorsque la vanne n'est pas actionnée. Lorsqu'elle est actionnée, le flux d'air va du port de vérin vers le port d'échappement.

Les vannes 4 voies permettent un flux continu de l'alimentation vers le port de vérin normalement ouvert tandis que le port de vérin normalement fermé va vers l'échappement. Lorsque la vanne est actionnée, le flux s'inverse, épuisant le port de vérin normalement ouvert et pressurisant le port normalement fermé.

La plupart des vannes 3 voies actionnent des vérins simple effet, tandis que les vannes 4 voies actionnent des vérins double effet. Les vannes d'équilibrage Humphrey, modèles 310/410 et 320/420, sont d'excellents exemples de ces vannes.

Vannes à boisseau vs vannes à tiroir et leurs utilisations idéales

Les vannes à boisseau sont utilisées dans les applications nécessitant un temps de réponse rapide. Elles conviennent également aux applications à haute vitesse. Ces vannes sont souvent utilisées dans les actionneurs pneumatiques, les outils à air, et comme vannes pilotes.

D'autre part, les vannes à tiroir sont mieux adaptées aux applications à basse vitesse. Elles sont aussi souvent utilisées lorsqu'un débit élevé dans une taille réduite est nécessaire. Ces vannes sont généralement utilisées dans les applications d'automatisation d'usine.

Les vannes à boisseau sont souvent des vannes à action directe, tandis que les vannes à tiroir sont des vannes pilotées ou à pilotage à distance.

Vannes proportionnelles vs vannes numériques

Les vannes proportionnelles sont souvent utilisées dans les applications nécessitant un contrôle précis du débit d'air. Ces vannes peuvent contrôler le débit via un signal électrique variable.

Les vannes numériques, quant à elles, n'ont que deux états : ouvert et fermé. Elles peuvent être utilisées pour ouvrir et fermer un circuit, démarrer et arrêter le flux d'air, ou changer la direction du flux d'air.

Les vannes proportionnelles Humphrey PV3, PV10 et PC30 sont bien connues. Pour les vannes numériques, les vannes d'équilibrage Humphrey sont un choix populaire.

Vanne pour liquide

Ce type de vanne est utilisé pour contrôler le flux de liquide. Il est souvent utilisé dans les applications nécessitant un contrôle précis du flux de liquide. L'utilisation la plus courante est dans les applications médicales et de diagnostic. Les séries Humphrey iDP et HK5 sont considérées comme d'excellents modèles de vannes pour liquide.

Prenez votre temps

L'article d'aujourd'hui aborde les différents types de vannes disponibles et leurs utilisations idéales. Nous avons également fourni des informations sur le dimensionnement correct d'une vanne pneumatique en utilisant diverses équations de débit et partagé les différents facteurs à prendre en compte.

Pour assurer sécurité et efficacité, prenez le temps de dimensionner correctement votre vanne pneumatique et suivez les étapes de ce guide.

En cas de doute, faites toujours appel à un professionnel ou consultez un fabricant ou distributeur de confiance.

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