Etude et amélioration d'une électrovalve

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.

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) .

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 (p.34). C’est sur cette base que le banc d’essais est construit (p.72). 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 (annexe n°11). 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 due à la gravité

Dans l’hypothèse où la vanne est tenue verticalement, il est possible de calculer la force de pesanteur s’appliquant sur le plongeur.

Fg = m . g

Le volume et la masse calculés par Inventor (Chapitre 5.2) est de 1,1gr. La masse mesurée avec une balance de précision (Mettler PM480 Delta Range 01/9416161) est de 1.119gr + 30mgr pour l’obstruateur. Cette masse correspond à une force de 11.3 selon l’équation (5.20). Cette force est négligeable par rapport aux disparités du ressort. Le fonctionnement de la vanne n’est donc pas dépendant de l’orientation de la vanne lors du montage.

Force due aux frottements

Le fonctionnement de la vanne est considéré comme symétrique . Dans ce cas de figure, si la vanne est tenue à la verticale, le plongeur se déplace sans toucher les bords du support de la bobine. Sans force normale au déplacement, il n’y a pas de force de frottement. [7] Il faudra cependant s’attendre à avoir des forces de frottement dans les mesures. C’est pourquoi dans les calculs dynamiques une force de frottement est considérée afin de se rapprocher de la réalité. Sa valeur est fixée expérimentalement selon les mesures de courants .

Force due à la compression de l’air
Lorsque le plongeur est en position basse, un volume d’air se trouve entre le plongeur et le noyau fixe. L’air est comprimé lors du déplacement du plongeur. L’augmentation de la pression implique une force s’opposant au déplacement du plongeur.

Limites du modèle

– 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.

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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
10 GLOSSAIRE
11 BIBLIOGRAPHIE
12 ANNEXES