Réalisation de cadeaux par découpe au jet d’eau

Par le Dr David A. Summers, Professeur et maître de conférences à l’Université des Sciences et Technologies du Missouri

Blog Hebdomadaire du Waterjet

KMT Waterjet – Blog Hebdomadaire du Waterjet

A la fin de l’hiver et au tout début du printemps, il y a toujours une période à laquelle la demande régresse et que l’ont peut mettre à profit pour réaliser quelques projets en attente. Si on n’oublie pas que la connaissance de la possibilité de la découpe à l’eau – peu importe qu’il s’agisse d’eau pure ou avec des additifs abrasifs – n’est pas encore très répandue parmi le grand public, bien que bon nombre d’entre nous la connaissent parfaitement, cette période se prête à diffuser plus largement l’existence du procédé.

Pendant longtemps, l’ignorance totale régnait aussi sur notre campus concernant les performances du jet d’eau, et il semble que cette ignorance ait de nouveau augmenté au cours des années suivant mon départ en retraite. De plus, j’ai souvent entendu lors de conférence, que l’industrie du jet d’eau ne formulait pas ses informations de manière très claire et ne les diffusait pas assez largement. La grande majorité des utilisateurs potentiels dans les différents domaines industriels ne sait toujours pas, que l’un des processus de la technologie de jet d’eau pourrait constituer une solution réelle à de nombreux problèmes.

Il existe différents moyen pour lutter contre cette ignorance, mais je souhaite présenter aujourd’hui tout particulièrement la stratégie qui nous a aidé. Il devait s’agir de quelque chose que notre groupe cible puisse apprécier. Cela devait être petit, de préférence peu coûteux et rapide à fabriquer, tout en démontrant de manière impressionnante les possibilités de la technologie de jet d’eau. Nous avons finalement décidé de fabriquer des supports de cartes de visite.

Support de carte de visite représentant une ouvrière de mine du Missouri

Figure 1. Support de carte de visite représentant une ouvrière de mine du Missouri.

Comme les centres d’essai des universités sont chroniquement à court d’argent, le matériau devait être bon marché et nous avons donc opté pour une mousse rigide légère. Ainsi, nous avons pu découper les contours des personnages avec de l’eau pure (à env. 20 000 psi / 1 380 bar), ce qui a considérablement réduit les coûts. Pendant la phase de conception de la figurine d’une femme (c’était la troisième figurine d’une série dont nous découpions chaque année une nouvelle forme), notre attention a été attirée sur le fait que les relations de la taille du corps de figurines de femmes étaient d’une importance primordiale, et nous avons donc choisi des mousses de deux différentes épaisseurs. La matière plus épaisse d’un demi pouce (env. 1,3 cm) a servi pour le corps et les broches, tandis que les bras et les jambes ont été réalisées dans la matière plus dine d’un quart de pouce (env. 0,65 cm).

Vue frontale de l'ouvrière de mine

Figure 2. Vue frontale de l’ouvrière de mine – on voit bien les différentes épaisseurs des matières découpées au jet d’eau.

L’œil a été remplacé par un petit trou pour démontrer la précision avec laquelle un jet d’eau peut découper des matières mêmes plus épaisses. Les cinq éléments composant la figurine ont été assemblés par deux broches à section rectangulaire que nous avons découpées dans la matière plus épaisse.

Un des avantages de la découpe de ces figurines (et nous en fabriquions env. 300 par an, que nous distribuions toutes) était la possibilité de tailler le logo de notre campus à des coûts relativement faibles dans la jambe. Comme nous ne disposions pas de beaucoup de place, nous avons commencé par « UMR », pour aboutir finalement à « S & T » après le changement de la dénomination de notre campus.

Un modèle plus tardif du support de cartes de visite

Figure 3. Un modèle plus tardif du support de cartes de visite. Les initiales du campus ont été taillées dans la jambe à l’aide de la technologie de découpe au jet d’eau.

Pour accélérer la fabrication, nous ne découpions les lettres que dans la moitié des jambes. Comme vous l’avez peut-être remarqué, ce modèle était assemblé à l’aide de broches rondes, et non rectangulaires. Ainsi, chaque utilisateur pouvait positionner la figurine à la guise.

De manière générale, les figurines ont été utilisées comme supports de cartes de visites, et après les avoir distribuées (et en avoir remis quelques unes à des dignitaires officiels comme supports de cartons de table pour leurs repas d’affaires), nous avons eu le plaisir de constater que nos figurines sont devenues des objets de collection pour bon nombre des personnes qui en avaient obtenues.

Effectivement, nos personnages en mousse avaient subis une certaine évolution. L’idée était à l’origine de découper une forme en pierre, puisque notre institut était connu sous le nom de « The Rock Mecanics and Explosives Research Center » (centre de recherche des mécaniques rocheuses et des explosifs). Cependant, lorsque l’on travaille la pierre – notamment selon une forme aussi complexe que notre ouvrier de mines – l’objet doit être plus grand en raison de la fragilité et de la faible résistance du matériau initial.

Ouvrier de mines de type BD

Figure 4. Ouvrier de mines de type BD, découpé au jet d’eau dans du granit du Missouri

Les coûts de production étaient plus élevés, puisque des abrasifs sont nécessaires pour la découpe et que la roche doit être poli avant la découpe (l’essai de polir la figurine après la découpe entraînait souvent la rupture de l’objet).

De nombreuses entreprises avaient déjà de bonnes idées pour attirer l’attention avec des découpes de métaux pouvant servir par ex. de décapsuleurs. Toutefois, nous n’avions pas les moyens de réaliser un nombre important d’objets avec le procédé à abrasifs – de plus, aucun de nos essais avec du métal n’atteignait le niveau de simplicité géniale de nos petits ouvriers de mines.

Dans notre cas, la mascotte de notre campus est toujours un ouvrier de mines du Missouri. Le design de notre première figurine ressemblait toujours au style BD d’origine. Comme bon nombre de étudiants rejoignaient ensuite l’industrie du charbon, et que c’est également mon domaine d’origine, nous avons équipé la seconde et troisième version de notre figurine d’un casque provenant des mines de charbon – et afin de démontrer encore mieux les possibilités de la découpe au jet d’eau, nous avons ajouté un petit évidement circulaire au casque pour y insérer un cylindre jaune comme lampe de mines.

Ensuite, nous avons été priés occasionnellement de réaliser de petits souvenirs pour les différents événements organisés à l’université, nous avons de nouveau utilisé le granit du Missouri comme matière première, mais en approvisionnant des plaques déjà polies. Il nous suffisait alors de découper la forme de l’état du Missouri et d’y coller le logo de notre université – le petit souvenir pour nos hôtes de marque était terminé.

Petit souvenir de la forme de l'état du Missouri

Figure 5. Petit souvenir de la forme de l’état du Missouri, découpé dans une plaque de granit à l’aide de la technologie du jet d’eau

Pour cette occasion spéciale, l’organisateur avait pris en charge les frais pour le matériau et la découpe, mais les pièces individuelles devaient être de petite taille pour économiser des coûts (puisqu’il s’agissait de cadeaux). Lors de cette tâche, nous avons eu du mal à comptabiliser le nombre de pièces réellement réalisées, puisque certains échantillons ont disparu mystérieusement pendant le processus de découpe (c’est malheureusement un risque professionnel lorsque l’on découpe des formes artistiques en impliquant un grand nombre de collaborateurs).

C’est aussi le dernier conseil que je souhaite vous donner pour la réalisation de ce type de cadeaux : prévoyez-en toujours plus qu’il ne vous en faut, et essayez de garder la possibilité de pouvoir fabriquer à courte échéance des exemplaires supplémentaires. Lors d’un exposé ultérieur, je détaillerai aussi où vous pouvez trouver une aide artistique économique pour la réalisation de tels projets.

La technologie de la découpe au jet d’eau – Flexibles et conduites haute pression

Par le Dr David A. Summers, Professeur et maître de conférences à l’Université des Sciences et Technologies du Missouri

Blog Hebdomadaire du Waterjet

KMT Waterjet – Blog Hebdomadaire du Waterjet

Une des premières décisions que l’on prend lors du raccordement d’une pompe de jet d’eau à une buse est le choix de la taille de la conduite haute pression acheminant l’eau de la pompe à la buse de coupe. Ce choix est devenu un peu plus complexe depuis la mise sur le marché de flexibles ultra-haute pression, puisqu’ils peuvent être utilisés à des pressions qui exigeaient auparavant des conduites haute pression. Toutefois, à des pressions plus élevées, la flexibilité des flexibles diminue – en raison de la pression, mais aussi des couches de protection intégrées à la structure du flexible.

La plupart des conduites utilisées dans les débuts de la technologie étaient des tubes en acier avec un diamètre intérieur de 3/16” et un diamètre extérieur de 9/16”. Une des raisons était que, à ce diamètre, la conduite pouvait être cintrée aisément en spirales. Cela permettait de conférer une certaine flexibilité à une structure qui aurait été très rigide sans cela.

Buse de découpe précoce

Figure 1. Buse de découpe précoce avec serpentin dans la conduite d’alimentation haute pression vers la buse.

Lorsque les buses de découpe ont été introduites dans l’industrie, elles étaient fixes en raison de la connexion rigide avec la pompe. Il fallait donc alimenter le matériau cible sous la buse, puisqu’il était plus facile de déplacer ces pièces que de donner de la souplesse à la conduite d’alimentation d’eau.

Opération de découpe de fentes au jet d'eau précoce

Figure 2. Opération de découpe de fentes au jet d’eau précoce (photo KMT Waterjet Systems)

Toutefois, comme les pièces à alimenter pouvaient présenter des variations géométriques, une certaine souplesse de positionnement de la buse de découpe au-dessus de la table de coupe permettrait de couper plus que des lignes droites. Il fallait trouver un moyen pour permettre à la buse de se déplacer. Cela a conduit au développement d’un certain nombre de spires dans les conduites haute pression en amont de la buse (voir Figure 1). Ainsi, la buse pouvait effectuer de légers mouvements. L’ajout de cette flexibilité à la buse a permis d’allier la robotique à la découpe au jet d’eau, ce qui constituait un progrès important.

La force nécessaire pour bloquer une buse en position devient minime lorsque le débit diminue et la pression augmente. (à 40 000 psi et à un débit de 1 gpm, la poussée est d’env. 10 lb). Les premiers robots d’assemblage mis en service étaient assez faibles et lorsque leurs bras étaient allongés, la poussée qu’ils pouvaient maîtriser sans bouger était faible, mais néanmoins supérieur à 10 lb. Ceci a fourni la première impulsion pour ajouter des têtes de coupe au jet d’eau à des robots industriels sur pied et sur bâti pour permettre la découpe rapide de formes dans un matériau cible, par ex. les moquettes de voiture dans lesquelles il convenait de découper les orifices pour les différentes pédales et divers leviers.

Mais cet alliage entre le robot et le jet d’eau exigeait que la conduite d’alimentation du jet soit flexible pour permettre à la buse d’être déplacée au-dessus de la cible et positionnée pour la découpe, par ex. les trous pour les boutons de fixation, sans endommager les matières intermédiaires.

La conduite devait pouvoir tourner, s’étendre et se rétracter avec une course raisonnable, de sorte à exécuter les tâches requises. Le cintrage de la conduite en plusieurs boucles offrait cette flexibilité.

Une spire complète circulaire dans la conduite offre une souplesse suffisante afin que l’extrémité de la conduite (et donc au niveau de la buse) puisse être déplacée sur un arc d’environ 9 degrés.

Sur un robot sur pied, les spires permettaient le positionnement tridimensionnel de la buse de découpe

Figure 3. Sur un robot sur pied, les spires permettaient le positionnement tridimensionnel de la buse de découpe.

Un grand nombre de spires étaient nécessaires, puisque la conduite ne fournit qu’une flexibilité très limitée à chaque spire. Pour étirer le raccordement en abaissant la buse par exemple, plusieurs spires agissaient de la même manière que l’acier d’un ressort à l’extension. Le mouvement peut éventuellement être illustré par la figure ci-dessous montrant un jeux de spires à dimensions métriques.

Croquis d'une série de spires

Figure 4. Croquis d’une série de spires disposées pour permettre à la buse d’exécuter une course latérale.

Chaque spire offre aussi la marge pour un léger réglage angulaire, dont la valeur augmente avec le nombre de spires ajoutées à la section.

Mouvement angulaire assuré par spire

Figure 5. Mouvement angulaire assuré par spire. Il ne doit pas dépasser 9 degrés par spire.

Tandis que dans les assemblages modernes, cela peut paraître un moyen étrange pour résoudre le problème, à l’époque où ces systèmes ont été conçus, il était très difficile de trouver des articulations haute pression qui fonctionnaient longtemps sous pression. A cette époque, nous avions un fabricant capable de nous fournir une articulation qui fonctionnait de nombreuses heures, sous réserve que les forces externes n’agissaient pas directement sur l’articulation. Mais dès que l’articulation était exposée à une force désaxée, elle était détruite. Dans une autre application, nous avions testé toutes les articulations que nous avions pu trouver pour un orifice d’un diamètre de six pouces, et nous en avons trouvé une qui fonctionnait pendant dix minutes. Pour terminer notre démonstration de terrain, nous devions forer horizontalement sur 50 pieds depuis un puits d’accès vertical. Nous devions verser constamment de l’eau sur le joint pour le refroidir, et le fabricant se tenait à nos côtés avec une poche pleine de rondelles de paliers que nous remplacions dès qu’elles commençaient à gripper.

Mais cela remonte à trente ans. Aujourd’hui, les conduites de la pompe à la buse sont des flexibles haute pression d’une souplesse que nous pouvions alors à peine imaginer. Les articulations ultra-hautes performances fonctionnent pendant bien plus de cent heures chacune sans la moindre perte de performance. Toutefois, la transition de l’un à l’autre s’est effectuée progressivement.

Alimentation ultra-haute pression d'une buse

Figure 6. Alimentation ultra-haute pression d’une buse avec des spires et des articulations

Quelques précautions supplémentaires doivent être prises en compte lors du dimensionnement de ces conduites. Tandis qu’un flexible est plus souple, il peut pulser et bouger légèrement sur une surface de palier lors des cycles de pompe. Généralement, cela ne pose aucun problème, mais si le flexible est dans un espace restreint et plié, il peut frotter contre une surface à proximité. Dans le temps, cela génère de la chaleur et peut user les différentes couches du flexible.

Flexible usé

Figure 7. Flexible usé et marque de friction au niveau du point de contact sur une plaque.

Les flexibles présentent d’autres problèmes : Les conduites haute pression plus petites peuvent plier lorsqu’elles sont utilisées pour des opérations de nettoyage, et c’est très MAUVAIS lorsque cela se produit. J’en parlerai dans un article à venir. Similairement, il convient de considérer le poids du flexible, notamment dans les applications manuelles, où il est important de considérer la manipulation du flexible dans le cadre de la procédure, mais là encore, ce point sera traité ultérieurement.

La technologie de découpe au jet d’eau – Pertes dans les conduites haute pression

Par le Dr David A. Summers, Professeur et maître de conférences à l’Université des Sciences et Technologies du Missouri

Blog Hebdomadaire du Waterjet

KMT Waterjet – Blog Hebdomadaire du Waterjet

Les pompes haute pression pour la découpe au jet d’eau sont généralement très efficaces pour amener l’eau à la pression requise pour une tâche spécifique. Et néanmoins, au bout d’un certain temps, le jet atteignant la cible n’est plus capable de réaliser le travail promis lors de la conception du système. Très souvent, cette diminution des performances est due à la trajectoire parcourue par l’eau à travers le système d’alimentation jusqu’à la buse formant le jet.

Les flux d’eau utilisés pour une gamme étendue d’applications sont très faibles. Les flux de dix gallons la minute (gpm) et inférieurs sont utilisés surtout pour les opérations de découpe et le nettoyage haute pression. De plus, rares sont les occasions où des applications manuelles consomment plus de 20 gpm, et ce en raison des niveaux de poussée générés. Des débits faibles impliquent aussi que la perte de pression entre la pompe et la buse est faible, n’est-ce pas ? UM ! Et bien, pas nécessairement.

Les pertes de pressions liées à une friction importante dans les conduites d’alimentation (flexibles ou rigides) de la pompe à la buse peuvent être à l’origine d’une différence significative du fonctionnement du système, comme je l’ai indiqué dans un des articles précédents de cette série. Dans cet article, j’ai souligné qu’une équipe de recherche réputée (pas la nôtre) a passé deux semaines à exploiter un système avec une pression d’eau de 45 000 psi à l’entrée d’une conduite d’alimentation, à la sortie de laquelle il ne subsistait que 10 000 psi de pression utile. (Et j’avouerai plus tard dans cet article que j’ai moi-même fait la même erreur.) Ainsi, la question évidente est comment éviter ces pertes.

La réponse tient en un mot – le diamètre ! Plus le diamètre de la conduite d’alimentation à travers laquelle l’eau s’écoule est étroite, plus la pression doit être élevée pour forcer l’eau à travers la conduite, peu importe la taille de la buse à la sortie. Le diamètre à considérer est le diamètre intérieur de la conduite flexible ou rigide, et non pas le diamètre extérieur (bien que la combinaison soit importante pour assurer que la conduite tienne la pression de l’eau acheminée par la conduite).

Les questions concernant l’état de la conduite, les raccords assemblant ses différents éléments et d’autre facteurs que je détaillerai dans l’article suivant, mais celui-ci ne traite que de la chute de pression dans une conduite à différents débits. Des équations peuvent être utilisées, mais une estimation raisonnable de la perte peut être obtenue soit en consultant les tableaux de conception que la plupart des fabricants fournissent avec leurs produits, soit à l’aide d’un simple nomogramme que vous trouverez à la fin du présent article.

Pour commencer, il convient de considérer les équations de base qui régissent la chute de pression :

L’équation liant la chute de pression au débit et au diamètre de conduite

Figure 1. L’équation liant la chute de pression au débit et au diamètre de conduite.

Notez que dans cette équation, la chute de pression est liée à la cinquième puissance du diamètre de la conduite – la puissance est telle que même une variation mineure du diamètre du canal de flux influence la chute de pression dans la conduite.

Lorsque le flux débute à travers un canal, ce flux est d’abord laminaire, c’est-à-dire que l’eau se déplace en couches. (vous trouverez une vidéo intéressante à ce sujet ici et une vidéo de l’un des concepts utilisés, par exemple, pour réaliser les jets « solides » que vous pouvez voir autour des haies dans certains parcs de loisirs.

La différence entre un flux laminaire et turbulent

Figure 2. La différence entre un flux laminaire et turbulent. (Explication de l’équipement)

Toutefois, lorsque la vitesse de l’eau augmente, le flux passe d’une forme laminaire à une forme turbulente, pour laquelle la rugosité de la paroi du canal de flux devient plus importante. La rugosité, le coefficient de friction qui en résulte et le débit sont alors utilisés pour calculer la pression requise pour franchir la friction dans la conduite. Cela s’applique indépendamment du débit de un ou deux gpm utilisé pour la découpe haute pression ou des débits élevés à une pression relativement faible servant à lutter contre les incendies.

Mais (outre les académiciens que nous sommes) rares sont ceux qui calculent les chiffres. Ce n’est pas réellement nécessaire, puisque la plupart des fabricants fournissent les informations dans leurs catalogues. Ces informations sont présentées de deux manières. La convention plus ancienne consiste à fournir un graphique dans lequel il suffit de relever la chute de pression en fonction du diamètre intérieur et de la longueur de la conduite.

La pression diminue tout au long de la conduite en fonction du débit et du diamètre intérieur de la conduite

Figure 3. La pression diminue tout au long de la conduite en fonction du débit et du diamètre intérieur de la conduite. Notez que les échelles sont logarithmiques.

Ces graphiques sont assez difficiles à interpréter, et puisqu’elles sont présentées sur du papier millimétré, les petites erreurs de relevés de valeurs peuvent fausser considérablement l’évaluation. Une méthode plus complexe est souvent plus utile. Celle que je préfère est le nomogramme, qui permet de comparer différentes options pour un seul chiffre à une échelle légèrement plus grande.

Observez par exemple ce nomogramme issu du Catalogue Parker, qui montre la relation entre le volume acheminé dans une conduite, le diamètre intérieur par lequel il circule et la vitesse de flux qui en découle.

Nomogramme de vitesse de flux

Figure 4. Un nomogramme pour déterminer le meilleur diamètre de conduite en fonction de la vitesse de flux admissible. (Parker)

Bien que la vitesse ne constitue pas généralement un problème pour les conduites d’alimentation de buses (en raison du niveau de filtration élevé de l’eau), elle peut l’être pour les conduites d’eau usées et de débris, mais aussi dans les systèmes de boues abrasives, où les débits supérieurs à 40 ft/sec. peuvent conduire à l’érosion des conduites.

Le nomogramme le plus utile est toutefois celui que j’ai adapté à partir du Bureau Américain des Mines (une agence gouvernementale malheureusement disparue).

Nomogramme pour le calcul de la perte de pression dans une conduite de 10 ft

Figure 5. Nomogramme pour le calcul de la perte de pression dans une conduite de 10 ft.

Connaissant le débit dans la conduite, il suffit de positionner une droite (généralement une règle) pour marquer le niveau, puis de la placer de sorte que l’intersection se trouve sur le diamètre intérieur de la conduite. Dans l’exemple ci-dessus, la règle serait placée le long de la ligne tracée entre 20 gpm au diamètre de conduite de 0,1875 pouces (3/16”). Le point d’intersection entre le trait et la chute de pression indique la perte de friction dans la conduite. Dans le cas présent, il s’agit de 3 600 psi pour 10 ft de conduite.

L’exemple provient d’un essai de terrain réalisé lors du forage de trous dans le côté d’un pilier en roche. Nous n’avions eu aucun problème pour forer les dix premiers pieds, mais lorsque nous avons ajouté une seconde longueur de 10 pieds de conduite pour forer à 20 pieds de profondeur, le système ne fonctionnait plus. Ce n’est que tard dans l’après-midi que nous avons compris qu’en ajoutant cette seconde longueur de conduite, nous avions diminué la pression de coupe provenant de la buse. Bien que la pression de consigne était de 10 000 psi, la pression initiale du jet n’était que de 6 400 psi. A l’ajout de la seconde longueur de conduite, la pression a chuté à 2 800 psi. Cette pression était insuffisante pour découper efficacement la roche. C’est ainsi que nous avons appris la leçon !

Pression pulsée sur les pompes haute pression destinées à la découpe au jet d’eau

Par le Dr David A. Summers, Professeur et maître de conférences à l’Université des Sciences et Technologies du Missouri

Blog Hebdomadaire du Waterjet

KMT Waterjet – Blog Hebdomadaire du Waterjet

Par principe, les pompes haute pression prélèvent l’eau nécessaire dans une cavité cylindrique, d’où elle est éjectée ensuite par les mouvements d’avance et de recul du piston. Le piston peut être actionné de manière différente. Il peut être fixé de façon excentrique à un arbre rotatif de sorte à effectuer des mouvements de va et vient avec la rotation de l’arbre. Une autre possibilité est de fixer le piston sur une plaque adaptée dont la rotation provoque alors également le mouvement de piston souhaité.

éléments de base d'une pompe à disque oblique

Figure 1 : éléments de base d’une pompe à disque oblique (selon Sugino et al. 9ème Symposium International de la Découpe au Jet d’eau, Sendai, Japon, 1988)

La troisième possibilité – et la plus courante pour les plages de pression très élevées – est l’utilisation d’un piston double-face. Dans cette structure, le liquide pénètre d’un côté du piston dans la cavité tandis qu’il est refoulé simultanément de l’autre côté par le distributeur de sortie de la pompe. Ce concept est appelé la démultiplication de pression.

schéma simplifié du fonctionnement du démultiplicateur de pression

Figure 2 : schéma simplifié du fonctionnement du démultiplicateur de pression.

La structure d’un démultiplicateur de pression illustre que sa beauté est due à sa simplicité.

démultiplicateur de pression bar ouvert partiellement

Figure 3 : démultiplicateur de pression ouvert partiellement. Les différents éléments côté haute pression du piston sont visibles (mis à disposition par KMT Waterjet Systems)

Aujourd’hui, je souhaite vous présenter ce qui arrive lorsque les pistons dans ce cylindre atteignent leur fin de course respective. Pour commencer, le concept du démultiplicateur de pression permet de simplifier la présentation, bien que les mêmes phénomènes se présentent aussi dans d’autres pompes à piston, comme je vous le démontrerai.

Pour plus de simplicité, partons du fait que nous utilisons un piston générant la haute pression sur un côté. Un tel concept est appelé démultiplicateur de pression à simple effet et peut se présenter à peu près comme ceci :

schéma simplifié d'un démultiplicateur de pression à simple effet

Figure 4 : schéma simplifié d’un démultiplicateur de pression à simple effet.

Dès que le piston est déplacé de droite à gauche par la pression d’alimentation de l’eau, l’eau est éjectée sur le côté avec le petit diamètre de piston. Supposons que le rapport de surface est de 20:1 et que la pression d’alimentation est de 5 000 psi (env. 350 bar), alors la pression de sortie dans le cylindre haute pression atteint 100 000 psi (env. 7 000 bar). Toutefois, l’effet n’est pas immédiat.

La valve de sortie est réglée de sorte qu’elle ne s’ouvre que lorsque le liquide a atteint la pression de sortie requise. De ce fait, le piston doit se déplacer légèrement (d’env. 12 %) pour comprimer l’eau et l’amener à la pression définie à laquelle la valve s’ouvre. Sur un démultiplicateur de pression à simple effet, le flux d’eau est interrompu naturellement dès que le piston a atteint sa fin de course gauche. Il ne peut retransporter de l’eau que lorsqu’il s’est redéplacé vers le côté opposé du cylindre.

Un flux d’eau presque continu peut être obtenu en remplaçant le démultiplicateur de pression à simple effet par un démultiplicateur double effet, puisque dans une telle structure, le vidage de la cavité sur un côté du cylindre s’effectue en parallèle au remplissage de la cavité de l’autre côté, de sorte à générer un flux d’eau de sortie à l’inversion du mouvement. Toutefois, ici aussi, l’effet n’est pas immédiat.

Une possibilité pour éviter cette problématique est l’utilisation de deux démultiplicateurs de pression à simple effet, sur lesquels les pistons se déplacent avec un décalage de phase, c’est-à-dire qu’un piston entame le mouvement juste avant que l’autre n’atteigne sa fin de course. Ainsi, le temps mort pendant le changement de direction est évité. Les deux approches peuvent être comparées :

différence de pulsation entre plusieurs démultiplicateurs de pression à simple effet avec décalage de phases et un module à double effet

Figure 5 : différence de pulsation entre plusieurs démultiplicateurs de pression à simple effet avec décalage de phases et un module à double effet (Singh et al., 11ème Conférence Internationale sur la Découpe au Jet d’eau, 1992)

En mode de découpe, la réduction des pulsations est souvent importante pour éviter les variations de la qualité de coupe. Dans ce contexte, l’atténuation des pulsations sur un système à double effet peut être obtenue avec une autre approche : une petite cuve de pression est intégrée à la conduite d’alimentation, de sorte que le liquide comprimé qui s’y trouve puisse compenser la perte de pression de sortie pendant le changement de direction des pistons.

effets du volume d'accumulateur sur les variations de pression

Figure 6 : effets du volume d’accumulateur sur les variations de pression (Chalmers, 7ème Conférence Américaine sur la Découpe au Jet d’eau, Seattle, 1993)

Je souhaite illustrer une nouvelle fois par un schéma simplifié la position de montage éventuelle d’une telle cuve de pression :

position de montage de la cuve de pression dans la conduite d'alimentation de la pompe à démultiplicateur de pression

Figure 7 : position de montage de la cuve de pression dans la conduite d’alimentation de la pompe à démultiplicateur de pression

Pour les applications de nettoyage, notamment en l’absence de tout agent abrasif, il se peut toutefois que les pulsations améliorent encore l’efficacité du système. Sur une pompe avec trois pistons et sans cuve de pression, des variations subites de jusqu’à 12 % en-dessous et 6 % au-dessus de la pression moyenne peuvent apparaître au sein d’un cycle de piston. Ces variations peuvent être réduites en augmentant le nombre de pistons d’entraînement de la pompe haute pression.

En passant par exemple de trois pistons à cinq pistons, les variations de la pression de sortie seront considérablement réduites.

les effets d'un nombre de pistons différent sur les variations de la pression de sortie sur une pompe haute pression

Figure 8 : les effets d’un nombre de pistons différent sur les variations de la pression de sortie sur une pompe haute pression (De Santis, 3ème Conférence Américaine sur la Découpe au Jet d’eau, Pittsburgh, 1985)

Le signal de pulsation plus long et stable généré par la fréquence de course relativement faible d’un démultiplicateur de pression est notamment avantageux puisque l’eau est un jet qui s’échappe de la buse à une vitesse définie par la pression de service. Les variations de pression importantes entraînent donc des variations trop élevées de la vitesse du jet d’eau. C’est-à-dire que des phases de jet plus lentes et plus rapides alternent et déstabilisent le jet d’une certaine manière. Dans certains cas, cela peut être un atout. Je vous parlerai de ces cas ultérieurement, après avoir traité encore un peu des bases.