Abstrait

Afin de pallier le problème de la pénurie d'équipements dans nos laboratoires dans la plupart de nos établissements d'enseignement supérieur, un presse hydraulique La presse a été conçue, construite et testée avec des matériaux locaux. Les principaux paramètres de conception comprenaient la charge maximale (300 kN), la course du piston (course du piston : 150 mm), la pression du système, la surface du cylindre (diamètre du piston : 100 mm) et le débit volumique du fluide de travail. Les principaux composants de la presse comprennent l'agencement du cylindre et du piston, le châssis et le circuit hydraulique.

La machine a été testée pour ses performances avec une charge de 10 kN fournie par deux ressorts de compression de 9 N/mm constants chacun disposés en parallèle entre les plateaux supérieur et inférieur et s'est avérée satisfaisante. Un boulon en acier fixé à la plaque inférieure d'une presse hydraulique est soumis à des forces d'impact élevées. Ce boulon a un diamètre majeur de 14 mm et un pas de 2 mm.

Il mesure 300 mm de long et l'écrou supporte une énergie d'impact de 4 500 n-mm. Le boulon utilisé est illustré à la figure 1b. Le filetage est coupé sur tout le diamètre de 14 mm. En utilisant les principes DFM, concevez une meilleure vis qui peut réduire la contrainte de la zone racinaire à 245 MPa à partir de la contrainte standard de la zone racinaire de 290 MPa. Montrez les calculs.

1. Introduction 

Au fil des ans, l'ingénierie a évolué pour trouver des moyens toujours plus efficaces et pratiques de pousser, tirer, faire tourner, pousser et contrôler des charges allant de quelques kilogrammes à des milliers de tonnes. Les presses sont largement utilisées à cette fin. 

Les presses, telles que définies par Lange, sont des machines-outils exerçant une pression. On les classe en trois catégories principales : les presses hydrauliques, qui fonctionnent selon le principe de la pression hydrostatique ; les presses à vis, qui utilisent des vis de puissance pour transmettre la puissance ; et les presses mécaniques, qui utilisent la liaison cinématique des éléments pour transmettre la puissance.

Dans une presse hydraulique, la génération, la transmission et l'amplification de la force sont assurées par un fluide sous pression. Le système liquide présente les caractéristiques d'un solide et constitue un milieu de transmission et d'amplification de puissance très stable et rigide. Dans une application simple, un piston plus petit transfère le fluide sous haute pression à un cylindre de plus grande surface, amplifiant ainsi la force. La transmission d'une grande quantité d'énergie est aisée et l'amplification de force est pratiquement illimitée. L'effet d'inertie est également très faible.

Une presse hydraulique typique se compose d'une pompe qui fournit la puissance motrice du fluide, du fluide lui-même qui est le moyen de transmission de puissance à travers des tuyaux et des connecteurs hydrauliques, des dispositifs de commande et du moteur hydraulique qui convertit l'énergie hydraulique en travail utile au point de résistance de charge.

Les principaux avantages des presses hydrauliques par rapport aux autres types de presses résident dans leur meilleure réactivité aux variations de pression d'entrée, la possibilité de contrôler précisément la force et la pression, et la disponibilité de toute l'amplitude de la force pendant toute la course de travail du vérin. Les presses hydrauliques sont privilégiées lorsqu'une force nominale très importante est requise.

La presse hydraulique est un équipement précieux dans les ateliers et les laboratoires, notamment pour les opérations d'emmanchement et de déformation des matériaux, notamment lors des procédés de formage des métaux et des essais de résistance. Un aperçu de l'atelier au Nigéria révèle que toutes ces machines sont importées. L'objectif est donc de concevoir et de fabriquer une presse économique à commande hydraulique, utilisant des matériaux locaux. Cela permettra non seulement de récupérer les pertes en devises, mais aussi d'améliorer le niveau de notre technologie locale en matière de transmission de puissance hydraulique.

2. Méthodologie de conception

Les systèmes hydrauliques sont conçus par objectif. Le principal problème à résoudre lors de la conception du système est de transposer les performances souhaitées en pression hydraulique.

Fig. 1. Schéma de principe de la presse hydraulique. débit volumique et correspondance de ces caractéristiques avec une entrée disponible au système pour maintenir le fonctionnement.

Les principaux paramètres de conception comprenaient la charge maximale (300 kN), la course de la résistance (course du piston : 150 mm), la pression du système, la surface du cylindre (diamètre du piston : 100 mm) et le débit volumique du fluide de travail. Les composants critiques à prendre en compte comprenaient le cylindre hydraulique, le châssis et le circuit hydraulique (Fig. 1).

2.1.Conception des composants

● Vérin hydraulique :

Les vérins hydrauliques sont de structure tubulaire dans laquelle coulisse un piston lorsque le fluide hydraulique y est introduit. Les exigences de conception comprennent l'épaisseur minimale de la paroi du vérin, la plaque de recouvrement, l'épaisseur de la bride, ainsi que la spécification et le choix du nombre et de la taille des boulons. La force de sortie requise d'un vérin hydraulique et la pression hydraulique disponible déterminent la surface et l'alésage du vérin, ainsi que l'épaisseur minimale de la paroi.

● Plaque de recouvrement d'extrémité de cylindre : 

L'épaisseur T, de la plaque de recouvrement d'extrémité, qui est soutenue à la circonférence par des boulons et soumise à une pression interne uniformément répartie sur la zone, est donnée par l'équation (2) de Khurmi et Gupta (1997), comme : T = KD(P/δt) 1/2, (2) où : D = Diamètre de la plaque de recouvrement d'extrémité (m), 0,1 ; K = Coefficient dépendant du matériau de la plaque, 0,4, d'après Khurmi et Gupta (1997) ; P = Pression interne du fluide (N/m2), 38,2 ; δt = Contrainte de conception admissible du matériau de la plaque de recouvrement, 480 N/m2 ; à partir de laquelle l'épaisseur de la plaque a été obtenue à 0,0118 m.

● Boulon :

Le couvercle du cylindre peut être fixé au moyen de boulons ou de goujons. La disposition possible pour fixer le couvercle avec des boulons est illustrée à la figure 2. Afin de déterminer la taille et le nombre corrects de boulons, n, à utiliser, l'équation (3) suivante a été utilisée, telle qu'adoptée par Khurmi et Gupta (1997) : (πDi 2 /4)P = (πdc 2 /4)δtbn, (3) où ; P = pression interne du fluide (N/m²) ; Di = diamètre interne du cylindre (m) ; dc = diamètre du noyau du boulon (m), 16 × 10-3 m ; δtb = résistance à la traction admissible du boulon.

Si la taille du boulon est connue, son nombre peut être calculé et inversement. Cependant, si la valeur de n obtenue ci-dessus est impaire ou fractionnaire, le nombre pair immédiatement supérieur est retenu. Le nombre de boulons a été calculé à 3,108 ; quatre boulons ont donc été choisis. L'étanchéité de l'assemblage entre le cylindre et le couvercle d'extrémité dépend du pas circonférentiel, Dp, du boulon, qui a été obtenu à 0,0191 m à partir de l'équation (4) : Dp = Di + 2t + 3Dc, (4) où : t = épaisseur de la paroi du cylindre (m), 17 × 10-3.

● Bride de cylindre : 

La conception de la bride du cylindre vise essentiellement à obtenir l'épaisseur minimale tf de la bride, déterminée par flexion. Deux forces interviennent : l'une due à la pression du fluide, et l'autre tendant à séparer la bride du fait de l'étanchéité, à laquelle doit résister la contrainte exercée dans les boulons. La force de séparation de la bride a été calculée à 58,72 kN à partir de l'équation (5) : F = (π/4)D1 2 P, (5) où : D1 = diamètre extérieur du joint, 134 × 10-3 m.

● Détermination de l’épaisseur de la bride : 

L'épaisseur de la bride, tf, peut être obtenue en considérant la flexion de la bride autour de la section AA, section où la bride est la plus faible en flexion (Fig. 3). Cette flexion est due à la force exercée sur deux boulons et à la pression du fluide à l'intérieur du cylindre.

Par conséquent, l'équation (6) a donné une épaisseur de bride de 0,0528 m : tf = (6M)/(bδf), (6) où : b = Largeur de la bride à la section AA, 22,2×10-3 m ; δf = Contrainte de cisaillement du matériau de la bride, 480 N/m2 ; M = Moment de flexion résultant, 5 144,78 Nm.

● Piston : 

La taille de la colonne de tige de piston requise pour supporter la charge appliquée et qui est alignée avec la ligne centrale de l'alésage du cylindre est influencée par la résistance du matériau de la tige, la force appliquée à la colonne de tige en compression, la situation de montage du cylindre lui-même et la course sur laquelle la charge doit être appliquée.

Le calcul des dimensions de la tige de piston et des longueurs des cylindres sous poussée axiale a été réalisé selon la procédure suggérée par Sullivan. Ainsi, une tige de piston d'un diamètre d'au moins 0,09 m a été jugée adéquate pour la conception.

● Sélection de joints : 

Les joints servent à prévenir les fuites internes et externes du système, quelles que soient les conditions de fonctionnement (pression et vitesse). Le joint statique choisi utilise le principe de la rainure et de la bague. La dimension de la rainure est calculée de manière à ce que le joint torique sélectionné soit comprimé à 15-30% dans un sens et égal à 70-80% du diamètre de la section libre. Le problème lors du choix d'un joint statique est de spécifier la rainure de manière à ce qu'un joint torique puisse être comprimé dans un sens et dilaté dans l'autre. Par conséquent, une rainure de 4 mm × 3 mm a été spécifiée pour le joint. 

2.2.Conception du cadre 

Le châssis fournit des points de fixation et maintient le positionnement relatif correct des unités et des pièces qui y sont montées pendant toute la durée de service, dans toutes les conditions de fonctionnement spécifiées. Il assure également la rigidité générale de la machine (Acherkan 1973). La conception tient compte de la tension directe exercée sur les piliers. D'autres éléments du châssis, comme les plateaux (comme dans notre cas), sont soumis à des contraintes de flexion simples. 

● Plateau : 

Les plateaux supérieur et inférieur constituent un point de contact direct avec l'objet comprimé. Ils sont donc soumis à une contrainte de flexion pure due à un couple égal et opposé agissant dans le même plan longitudinal. La conception porte essentiellement sur la flexion et consiste principalement à déterminer la valeur maximale du moment de flexion (M) et de l'effort tranchant (V) créés dans la poutre, qui se sont élevés respectivement à 45 kN/m et 150 kN. Ces valeurs ont été calculées selon la procédure adoptée. 

● Module de section : 

Les valeurs de V et M obtenues facilitent le calcul du module de section des plateaux. Ceci donne l'épaisseur minimale d, qui a été calculée à 0,048 m à partir de l'équation (7) : d = [(6M)/(δb)]½, (7) où ; M = Moment de flexion maximal, 45 kN/m ; b = 600 × 10⁻³ m ; δ = 480 × 10⁻³ N/m². 

2.3.Pompe 

Le paramètre initial de la conception consiste à estimer la pression maximale de refoulement du fluide requise au niveau du cylindre, puis à ajouter un facteur pour tenir compte des pertes par frottement dans le système. Cette valeur a été obtenue à 47,16 × 106 N/m².  

Le pompage est actionné par un système de levier. La longueur réelle du levier a été établie à 0,8 m. Ce calcul a été effectué en supposant un effort théorique maximal et en mesurant le moment autour du point d'appui. 

3. Procédure de fabrication détaillée 

Des profilés en U de 200 mm × 70 mm ont été obtenus localement auprès du fournisseur d'acier de construction et deux plaques d'acier de 200 × 400 × 40 mm ont été récupérées dans une casse de Benin City, au Nigéria. Après avoir déterminé les dimensions principales des sections critiques dès la conception, deux sections de 2 800 mm ont été découpées dans l'acier à la scie à métaux dans l'atelier de fabrication de la charpente.

Un tube de Φ150 mm et de Φ90 mm de diamètre intérieur a également été récupéré de la casse et a été alésé et rodé à Φ100 mm sur le tour. Un tube tubulaire en acier doux de Φ70 mm et de 15 mm d'épaisseur a également été usiné à une extrémité à Φ60 mm pour loger le joint et son boîtier.

Le piston et le cylindre ont été assemblés et montés sur la base du châssis à l'aide de boulons préalablement soudés. Un guide-chaîne en tube d'acier a également été fourni pour permettre le mouvement vertical rectiligne du plateau. Les plateaux ont été fabriqués à partir de cette plaque d'acier et deux trous de Φ20 mm ont été percés à chaque extrémité pour le passage du guide-chaîne. Le plateau inférieur a été assemblé sur le dessus du piston et maintenu en position par un évidement usiné. Une bague d'étalonnage, également fabriquée à partir d'une plaque d'acier doux de 10 mm d'épaisseur, a été placée entre le plateau supérieur et la traverse de la presse, comme illustré à la figure 1.

3.1.Résultat du test de performance 

Il est courant de soumettre les produits techniques à des tests après leur fabrication. Il s'agit d'une étape importante du processus de fabrication. Ces tests permettent de vérifier le respect des exigences fonctionnelles, d'identifier les problèmes de fabrication, de vérifier la viabilité économique, etc. 

Des tests sont donc effectués pour prouver l'efficacité du produit. Pour la presse hydraulique, le test d'étanchéité est le plus important. Il a débuté par l'amorçage initial de la pompe, suivi du pompage du fluide. L'opération a été réalisée à vide. La machine est restée dans cette position pendant deux heures. 

La machine a ensuite été soumise à une charge de 10 kN, exercée par deux ressorts de compression de 9 N/mm chacun, disposés parallèlement entre les plateaux. Les ressorts ont ensuite été comprimés axialement sur une longueur de 100 mm. Ce dispositif a été laissé en place pendant deux heures et des fuites ont été observées. Aucune fuite n'a été détectée dans le système, le plateau inférieur étant resté en place. 

4.Conclusion 

Une presse hydraulique de 30 tonnes a été conçue, fabriquée et calibrée. La machine a été testée afin de garantir sa conformité aux objectifs de conception et sa facilité d'entretien. Elle s'est révélée satisfaisante sous une charge d'essai de 10 kN. Des essais complémentaires à la charge de conception restent à réaliser.

5. Analyse des défaillances

5.1 Présentation

Pour analyser la défaillance du cylindre principal de la presse hydraulique à quatre colonnes, les points suivants méritent l'attention :

●Une analyse approfondie du schéma du système hydraulique, combinée au tableau d'action de l'électroaimant pertinent et aux schémas de circuit associés, permet d'élaborer le mécanisme de fonctionnement complet du circuit et, en même temps, de comprendre correctement l'intention et les idées de conception du circuit, les mesures techniques prises et le contexte associé.

● Correspondre au schéma de principe de la presse hydraulique et à l'objet réel. Pour se faire une idée précise, le schéma de principe de la tuyauterie du circuit hydraulique est souvent très différent de l'objet réel. Dans la mesure du possible, il convient de clarifier la relation entre la collusion entre les trous de soupape sur la plaque de soupape et la résistance de la barrière. Ces facteurs sont étroitement liés à l'inspection du circuit.

●Référez-vous aux livres et documents pertinents pour trouver la base permettant de juger les caractéristiques des dispositifs hydrauliques, puis jugez-les.

●Conformément aux pages Web, aux livres et aux manuels d’instructions de l’équipement pertinents, explorez le mécanisme de défaillance et les méthodes de test analytiques associées.

●Analyse de l'absence de pression de maintien dans le maître-cylindre

Comme le montre la figure, le vérin principal de la machine hydraulique à quatre colonnes utilise une vanne de remplissage de liquide pour assurer un mouvement descendant rapide. Cependant, le vérin principal ne maintient souvent pas la pression. Cette machine a des exigences de maintien de pression et nécessite généralement une chute de pression inférieure à 2 à 3 MPa en 10 minutes.

Analyse: Si le cylindre principal ne maintient pas la pression, il s'agit forcément d'une fuite d'huile sous pression. D'après l'analyse schématique, cette fuite est liée au circuit d'huile, et cinq composants seulement sont à l'origine de cette fuite.

●Tuyaux et joints : contraintes, mauvaise soudure, fissures, etc.

● Clapet anti-retour de maintien de pression : mauvaise étanchéité ;

●Corps de soupape de remplissage : mauvaise étanchéité ou siège de soupape desserré ;

●Tige de poussée d'huile de commande de soupape de remplissage : légèrement plus longue, soulevez et déchargez la petite bobine

●Piston du maître-cylindre (bague de guidage) : la bague d'étanchéité est endommagée.

Méthode d'exclusion : Selon les résultats de l'analyse, vérifier et exclure du simple au complexe, de l'extérieur vers l'intérieur.

Vérifiez d'abord la tuyauterie et les joints (du plus simple au plus complexe, de l'extérieur vers l'intérieur) et effectuez une soudure initiale pour détecter toute soudure défectueuse ou fissure. Il est préférable de retirer les joints toriques au niveau des joints et de chauffer les coudes à l'oxygène jusqu'à ce qu'ils rougissent. Serrez légèrement l'écrou et attendez qu'il refroidisse et prenne avant l'assemblage.

S'il n'y a aucun défaut dans les canalisations et les joints, vérifiez le clapet anti-retour de maintien de pression (de l'extérieur et de l'intérieur), retirez le bouchon du clapet anti-retour, polissez sa ligne d'étanchéité, meulez-le avec le siège de soupape, nettoyez-le et assemblez-le.

Après avoir vérifié le clapet anti-retour, si le cylindre principal ne parvient toujours pas à maintenir la pression, vérifiez la soupape de commande de la soupape de remplissage (extérieur et intérieur), retirez la tige d'huile de commande et bloquez l'huile de commande pour vérifier le maintien de la pression. Si la pression est impossible à maintenir, poncez l'extrémité du putter pour vérifier sa longueur. Après avoir vérifié la tige de poussée, la pression ne peut être maintenue. Vérifiez la soupape de remplissage. L'objectif principal est de vérifier si le joint et le siège sont desserrés. Polissez, meulez ou remontez le siège. 

Une fois la vanne de remplissage vérifiée, la pression ne peut pas être maintenue et la bague d'étanchéité du cylindre principal peut être jugée endommagée et peut être retirée et remplacée.

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