maj 20211010
CLAPET DE CHOC TRANSPARENT
Le clapet de choc et le clapet de
refoulement sont les 2 pièces les plus délicates à réaliser.
Les clapets transparents permettent de
voir bouger les éléments à l'intérieur ce qui facilite beaucoup
la compréhension du fonctionnement du bélier. La mise au point de
ces clapets a été délicate, En conséquence, la moindre
modification peut entrainer un dysfonctionnement. Ce qui est
difficile est d'obtenir un fonctionnement régulier durant des
heures. Bien évidemment, vous pouvez essayer d'autres
configurations, je suis preneur si vous avez des réalisations qui
marchent. Tous les fabricants de bélier connaissent la difficulté de
mise au point des clapets et les heures de travail qui en découlent
et les désillusions !
Spécificités des clapets
Il faut tout d'abord avoir conscience
que pas mal de paramètres habituellement recommandés pour un
bélier classique ne sont pas du tout respectés.
Nous sommes dans le cas ou la conduite motrice est en PVC armé alors qu'il est toujours recommandé d'avoir une conduite motrice rigide en métal.
Il est souvent conseillé d'avoir une
conduite motrice rigide en métal et aussi hauteur de charge minimale
de 0,3 m.
La charge est la différence hauteur d'eau
entre le niveau de la surface libre dans le bac amont transparent et
le niveau de sortie de l'eau du clapet de choc.
Cette maquette de bélier fonctionne sans problème avec une
charge inférieure à 5 cm. En combinant les clapets et les hauteurs d'eau, la maquette a fonctionné avec moins de 4 cm de charge.
Approche théorique:
Il ne s'agit pas de théorie pure mais
de bon sens pour la conception des clapets. J'ai eu la chance de
travailler sur le "Clasar" en 1976 avec "Gilles Combes" et "Jacques
Genevey "qui ont mis au point ce clapet anti retour très performant. On peut dire que le Clasar est un peu la Rolls du clapet, il est d'ailleurs très couteux. Ce qui est marrant, c'est que l'enregistrement de l'époque fait sur
du papier photosensible est encore dans le document actuel en pdf proposé sur la page : .
Dans notre cas, cette charge extrêmement faible est une réelle difficulté. Il y a moins d'une dizaine de cm de différence de niveau entre la surface libre dans le bac amont et le sommet du clapet de choc. L'approche retenue pour réaliser le clapets de choc
découle de la même idée que pour le "Clasar",
Plusieurs caractéristiques de l'équipage mobile sont à optimiser. Il doit être le plus léger possible afin d'avoir une
inertie minimale. La densité apparente de l'équipage mobile est un critère importante. Cette densité apparente est la densité déduite de celle de l'eau qui englobe l'ensemble. Le guidage doit permettre l'étanchéité lors de la fermeture. Il faut également que les frottements soient
minimisés.
Frottements
Un paramètre nécessaire est d'avoir
le frottement le plus faible possible de l'équipage mobile constitué
par la vis M3 glissant à l'intérieur de la vis M6 perforée. Il
faut que les surfaces soient lisses. En ce qui concerne la vis M3,
cette condition est validée, la partie non filetée en inox est lisse voire polie. Du
coup, il faut soigner l'état de surface lors de la réalisation du
trou de diamètre 3 mm dans la vis M6. Il est nécessaire de casser les angles à l'extrémité du trou de diamètre 3 mm . Le jeu diamétral entre la vis
M3 et le trou effectué dans la vis M6 est de l'ordre de quelques centièmes de
mm . De plus, en fonction du jeu radial, le frottement varie, de l'eau peut s'intercaler entre la vis M3 et l'orifice dans la vis M6.
.
Hydrodynamique
Il y a dans notre cas des éléments
contradictoires,
Il faut que la perte de charge du
clapet soit faible afin que le débit, donc la vitesse d'écoulement
soit suffisante pour fermer le clapet.
Il faut que la trainée de la partie
mobile "en sens inverse "soit élevée afin que le seuil de vitesse de l'écoulement
qui réalise la fermeture du clapet soit faible.
Tout est affaire de compromis, il est
assez délicat à trouver.
J'avais dans un premier temps tenté de
miniaturiser le clapet fabriqué par mes étudiants de Ense3
Le résultat n'a pas été concluant,
la charge sur ma maquette était insuffisante pour fermer le clapet. J'ai donc
conçu ce nouveau système afin de limiter le plus possible la masse mobile donc l'inertie, la partie mobile est constituée d'un disque en
joint caoutchouc fixé sur une vis M3 avec des écrous de blocage.
Cet ensemble mobile coulisse dans une vis M6 inox perforée
longitudinalement.
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| ancien clapet des étudiants |
 |
| Le clapet utilisé sur ma maquette |
 |
| vis M6 inox trouée |
Aspects théoriques
Pour ceux qui veulent en savoir un peu
plus voici quelques ordre de grandeur.
La conduite motrice a un diamètre
intérieur de 15 mm, soit une section de 1,77 . 10 -4 m
2.
La section de passage à conserver doit
être du même ordre de grandeur. En toute rigueur, il faudrait tenir
compte des coefficients de contraction qui sont variables et
difficiles a estimer. Par exemple, le coefficient est de 0,6 pour un
orifice a bord vif.
Les 6 trous de passage ont un diamètre
de 6 mm ce qui fait une section totale de S = 6 X (p
.6 2 )/4 = 1,7.10 -4 m 2.
La section annulaire de passage de
l'eau entre l'extérieur du disque caoutchouc de diamètre d = 22 mm
et le diamètre intérieur du tuyau de diamètre D = 27 mm est : p
.(D2 -d2 )/4= 1,92, 10 -4 m 2.
On a donc des ordres de grandeur
convenables. Cependant, certains éléments comme le coefficient de
trainée du disque caoutchouc sont délicats à estimer.
Réalisation
Ce clapet nécessite de
l'usinage, je mets à la fois des photos et des plans de réalisation.
Deux plans pour le clapet de choc
Matériaux : Pour le choix
des matériaux, j'ai privilégié des matières quasiment incassables, du PVC pour le tuyau plastique rigide, du polycarbonate pour les
pièces intérieures . Les autres parties sont en acier inoxydable en
caoutchouc et en mousse. En cas de difficulté d'approvisionnement,
vous pouvez utiliser d'autres plastiques par exemple, du PVC, du PMMA
(nom commercial plexiglass, Altuglass ..).
Nécessité d'utiliser des machines
outils
Il faut utiliser un tour pour réaliser
le rond en polycarbonate et la vis M6.
Techniquement, ce n'est pas très
difficile, l'ajustement du polycarbonate légèrement serré spécifié
sur les plans nécessite un peu de finesse. Le mieux est de tester l'ajustement directement sur le tour avec un petit bout de tube. J'ai réalisé la touche finale de l'ajustement avec du papier carrossier à l'eau très fin.
Si cet ajustement est « raté »et qu'il y a trop du jeu,
vous pouvez toujours rajouter des vis de blocage en inox radiales de petite taille M3.
Pour le perçage des trous du clapet de
choc, il est préférable d'utiliser une perceuse à colonne et un
plateau diviseur (ou équivalent) car les trous sont très
rapprochés, il est malheureusement facile de se décaler et de
combiner les trous voisins, ce qui est gênant pour le fonctionnement. On peut réduire le diamètre des trous à 5.8 mm ou moins par exemple pour faciliter la tache (quelques dixièmes de jeu supplémentaire entre 2 trous) . Il y aura une incidence faible sur le fonctionnement, on pourra surélever le bac amont de quelques cm pour augmenter la charge.
Usinage de la vis M6
Il faut utiliser un tour, il est
souhaitable d'utiliser une pince à ressort pour tour (photo
ci dessous) afin d'obtenir un bon centrage. L'étanchéité du clapet peut être
affectée par un défaut de coaxialité.
Il faut apporter un grand soin à la
réalisation du trou de diamètre 3 mm . L'état de surface interne
doit être le le meilleur possible. Un chanfrein sera réalisé des 2 cotés du trou D 3 mm . Le frottement sera plus faible
avec une surface lisse.
Il faut ensuite usiner la tête de vis
M6, la régularité de l'appui de l'écrou M3 sera améliorée après
avoir usiné la tête M6. Sans usinage, l'appui pourra être erratique et la course légèrement variable.
Trous latéraux
Comme on le voit sur la photo ci
dessous, on peut réaliser deux trous diamétralement opposés de
diamètre de 14 ou 15 mm environ. Ceci permet de mieux voir la partie mobile en fonctionnement. Ces orifices augmentent de quelques cm la charge. C'est la différence de hauteur entre la surface libre du bac transparent et le niveau d'écoulement de l'eau au niveau du clapet de choc.
Attention : Ces 2 trous qui
peuvent paraître anodins ne sont pas faciles à réaliser. En effet,
dans les matières plastiques, les mèches classiques « engagent ».
Cela veut dire que la mèche va se visser dans le plastique et va
tirer violemment la perceuse ou ramener le tube vers la perceuse : DANGER .
Plusieurs solutions sont envisageables, mais dans tous les cas, le tube sera fermement maintenu dans un étau ou équivalent.
*Avec une perceuse à colonne, si on dispose d'un système à manivelle, on peut retenir la descente de la mèche et contrôler le perçage.
*Si on perce à main levée avec une perceuse , il faut faire très attention, c'est risqué : DANGER
On peut modifier la mèche en cassant la coupe de l'angle vif avec une pierre à aiguiser. Les anciens de "Neyrpic" appelaient cette opération "moucher la mèche" .
Une technique complémentaire consiste à mettre une contreplaque , une cale en bois (par exemple un morceau de manche à balai pour épouser l'intérieur du tube) à l'intérieur bloquée par une cale ou par un petit serre joint.
Une troisième technique consiste à percer à travers un chiffon , encore un truc des anciens.
J'ai utilisé une technique moins délicate par la suite, j'ai fait deux petit trous radiaux de 4 mm environ diamétralement opposés et j'ai agrandi ceux ci avec une fraise conique comme celle ci dessous pour métaux d'environ 14 mm de diamètre.
Ces trous ne sont obligatoires, mais
il est plus facile de voir le mouvement du clapet sur le coté quand
les 2 jets d'eau latéraux sont guidés par ces trous.
Réalisation du clapet de choc
1) rond en polycarbonate
2) disque caoutchouc épaisseur 2 mm
3) Vis M6 X 20 mm usinée
4) Vis M3 X 35 mm TH
5) 2 écrous M3 + 1 rondelle
1 : rond polycarbonate
On voit qu'il reste peu de matière entre les trous d'où la difficulté. On voit également le taraudage traversant M6 au centre. On peut casser délicatement à la main les angles vifs des trous de 6 mm avec une fraise conique. Casser l'angle coté amont réduit la contraction du fluide et la perte de charge.
Plan clapet à la main
disque obturateur caoutchouc
Il faut être méticuleux pour réaliser le trou de 3 mm dans le disque caoutchouc. Il faut que le disque soit légèrement lié à la vis inox M3. Vous pouvez ajuster ce trou avec une petite perceuse et un foret de 3 ou 3.1 ou 3.2 mm .
* Trop grand, le disque et la vis M3 ne seront pas liés. Le disque se déplacera seul, ça ne marche pas.
* Trop petit, un renflement conique du caoutchouc coté polycarbonate pourra empêcher le disque de se plaquer et donc entrainer un défaut d'étanchéité.
Cas 1 : vous avez la possibilité d'utiliser une boite de découpe joint analogue au modèle ci dessous
L'obturateur est un disque en caoutchouc qui va occulter des orifices qui sont disposés radialement autour de l'axe central. Le disque de caoutchouc est découpé avec un découpe joint qui permet de faire les 2 trous simultanément afin d'avoir un centrage parfait. Ci dessous, un exemple de découpe joint adapté. Il faut découper un disque diamètre 3mm intérieur et 22 mm extérieur.
Cas 2 : Vous n'avez pas de découpe joint.
Il faut tracer les trous de 3 et 22 mm sur la plaque caoutchouc de 2 mm d'épaisseur.
On peut réaliser le trou central avec une goupille "mécanindus "ou un bout de tube meulé à l'extrémité . On peut tout simplement réaliser le trou à la perceuse. il faut maintenir le caoutchouc en place.
Pour l'extérieur, une paire de ciseaux utilisée avec délicatesse convient.
3 : Vis M6 X 20 mm usinée
4 : Vis M3 X 35 mm TH
Il est préférable d'utiliser une vis avec une partie lisse pour le coulissement.
5: 2 écrous M3 + 1 rondelle
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Eléments 4 et 5
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Réglage de la course de l'équipage mobile
Un réglage de la course à 2.5 mm donne un fonctionnement régulier de la maquette. Je suis arrivé à cette valeur par tâtonnement. On remarque que cette valeur de 2.5 mm correspond au jeu radial entre le disque caoutchouc de 22 mm et le diamètre intérieur du tube 27 mm.
Le réglage se fait par serrage des écrous qui enserrent la rondelle série large . Le principe de guidage est le coulissement de la vis M3 en inox dans une vis M6 inox perforée. Le trou à réaliser dans la vis M6 doit être fait avec soin . L'ajustement doit être "glissant juste" avec peu de jeu.
Pour faire la mesure, il faut appuyer légèrement sur la tète de la vis M3 pour plaquer le disque caoutchouc sur le rond PC. En réalité, ce réglage dépend de nombreux paramètres de la masse de l'équipage mobile, de la masse des écrous et rondelles , de la charge (hydraulique). Un repère simple, l'écrou M3 extérieur est quasiment affleurant à l'extrémité de la vis M3 de 35 mm comme on voit ci dessous.
PROBLEME
J'ai eu un souci lors de la reproduction de ma maquette. J'ai observé un jet d'eau sur le coté du clapet de choc. Il y avait une fuite entre le rond polycarbonate et le tube pvc. Je précise que l'ajustement légèrement serré avait été correctement réalisé.
Explication : l'intérieur du tube n'est pas cylindrique mais ovalisé. Sur le coté il y a une fuite significative qui génère un jet d'eau et qui atténue fortement le coup de bélier.
Solution 1 :
Si vous pouvez utiliser un tour, le plus simple est de mettre un joint torique sur la pièce en polycarbonate. Il faudra que le diamètre extérieur du joint sous suffisant pour "boucher" la fuite, ce qui dépend de la taille du joint et du tore. Il faut réaliser une gorge de joint à l'extérieur du rond PC sur le diamètre de 27 mm . Vous pouvez récupérer un joint qui fasse environ 22 mm de diamètre intérieur et 2 à 3 mm de tore. Il y a des méthodes sophistiquées qui permettent de dimensionner les gorges de joint. Je vous propose une méthode adaptée à notre cas simple pour dimensionner la gorge de joint dans ce cas statique.
Il faudra réaliser un chanfrein d'entrée à 45 °sur le tube d'environ 1 mm .
Soit D le diamètre intérieur et d le diamètre du tore.
Méthode simple : La profondeur de la gorge doit faire 0.8 d et la largeur de la gorge 1.2 d.
Je trouve un joint qui fait 2 mm de tore et 22 mm de diamètre interne (22 x 26). La profondeur de la gorge sera de 1.6 mm donc un diamètre de 23.8 mm, la largeur de la gorge fera 2.4 mm, le diamètre extérieur du joint monté 27.8 mm (23.8+2x2) . On pourra combler un fuite de d'environ 8/ 10 de mm environ.
Solution 2 :
Cette solution est moins pro que le joint torique préconisé ci dessus.
J'ai réalisé un joint dans une plaque de caoutchouc de 5 mm d'épaisseur. C'est l'épaisseur minimale afin d'avoir un bon guidage du joint. J'ai tracé 2 cercles concentriques de 22 et de 28 mm de diamètre . J'ai découpé au découpe joint l'extérieur de 28 mm . Comme le tube fait 27 mm de diamètre, on aura l'étanchéité. Ensuite à l'aide d'un petit emporte pièce découpe joint (10 à 14 mm environ) , j'ai évidé l'intérieur afin de laisser le passage de l'eau en me mettant sur plaque en bois.. Même si ce n'est pas parfaitement cylindrique, ce n'est pas grave, il suffit de voir les 6 orifices de sortie de l'eau. Il faut bien sur mettre le rond polycarbonate en appui sur le nouveau joint. Le problème est résolu !
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| petit emporte pièce |
