AUTOMATISMES PNEUMATIQUES ET HYDRAULIQUES, 4 ÈME ANNEE, OPTION MECANIQUE GENERALE

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC.

Préliminaires

Objectifs Pédagogiques du Cours 🎯

Ce cours de fin de cycle a pour objectif de consolider et d’étendre les compétences du technicien en conception et maintenance de systèmes automatisés par fluides. L’ambition est de dépasser la simple analyse de circuits pour aborder la conception de séquences logiques, le diagnostic de pannes complexes et la compréhension des technologies avancées. Au terme de cette année, l’élève doit être capable de concevoir un automatisme simple, de rédiger un cahier des charges fonctionnel, de choisir les composants appropriés et de mettre en œuvre une méthodologie de dépannage structurée, le préparant ainsi pleinement aux réalités du terrain.

Approche Didactique et Méthodologique 🧠

L’enseignement est axé sur la résolution de problèmes et l’étude de cas industriels. La démarche part de cahiers des charges fonctionnels (ex: « automatiser un cycle de perçage », « concevoir une petite presse ») pour guider l’élève à travers les étapes de conception : grafcet ou diagramme séquentiel, choix des technologies, élaboration du schéma, et simulation. Une part significative du cours est dédiée aux méthodologies de diagnostic, formant l’élève à analyser une panne de manière logique plutôt que par tâtonnement. Les travaux pratiques sur bancs d’essais évoluent vers la réalisation de mini-projets d’automatisation complets.

Contexte Industriel et Maintenance 🔧

Ce cours ancre l’élève dans son futur rôle de technicien de maintenance ou de bureau des méthodes. Les exemples sont choisis pour leur pertinence dans le contexte industriel congolais : l’automatisation de machines pour l’industrie agroalimentaire, la commande des systèmes hydrauliques sur les engins forestiers de la province de la Tshopo, ou la maintenance des circuits pneumatiques des cimenteries du Kongo Central. L’accent est mis sur la fiabilité, la sécurité et l’efficacité énergétique des systèmes, des préoccupations majeures pour toute entreprise cherchant à optimiser sa production.

Partie I : Fondamentaux et Composants des Systèmes Fluides

Cette partie consolide les connaissances de base et approfondit la technologie des composants, en s’assurant que l’élève dispose d’un socle solide avant d’aborder la conception de systèmes complexes.

Chapitre 1 : Principes des Transmissions de Puissance par Fluides

Ce chapitre revoit les principes physiques et les conventions qui sont le fondement de la pneumatique et de l’hydraulique.

1.1. Comparaison des Technologies : Avantages et Inconvénients

Une analyse comparative détaillée est menée, en se basant sur des critères de performance : vitesse, effort, précision, coût, sécurité et propreté. Cela permet de justifier le choix technologique pour une application donnée.

1.2. Structure d’un Système : Production, Distribution, Action

La structure fonctionnelle de toute chaîne de transmission par fluide est réexaminée, en insistant sur les interactions entre les différents blocs et l’importance de la qualité de l’énergie (air propre et sec, huile propre et à bonne température).

1.3. Circuits de Puissance et Circuits de Commande

La distinction entre les deux circuits est approfondie, en introduisant la notion de séparation des énergies et de pilotage à distance comme une règle de conception favorisant la sécurité et la modularité des installations.

1.4. Symbolisation Graphique Normalisée (ISO 1219)

La maîtrise de la lecture et de l’écriture de schémas selon la norme ISO 1219 est consolidée à travers l’analyse de schémas industriels complexes, incluant des composants multifonctions.

Chapitre 2 : Les Actionneurs – Conversion de l’Énergie Fluide en Travail

Ce chapitre étudie en détail les composants qui produisent le mouvement et l’effort mécanique, en incluant des technologies plus spécifiques.

2.1. Les Vérins Linéaires : Technologies et Dimensionnement

L’étude des vérins simple et double effet est complétée par l’analyse des vérins spéciaux (sans tige, rotatifs, télescopiques). Les calculs de dimensionnement intègrent désormais les notions de rendement et de pertes par frottement.

2.2. Les Moteurs Hydrauliques et Pneumatiques

La technologie des moteurs à fluides est approfondie, en analysant les courbes de couple et de puissance. Le choix d’un moteur pour une application (par exemple, l’entraînement d’un treuil sur un engin minier) est discuté.

2.3. L’Amortissement de Fin de Course

Les systèmes d’amortissement réglables, qui permettent de décélérer les charges en fin de course pour éviter les chocs, sont étudiés en détail. Leur réglage correct est présenté comme un facteur clé de la longévité des machines.

2.4. Le Flambage des Tiges de Vérin

Un point de RDM appliquée est intégré : la vérification au flambage de la tige d’un vérin long travaillant en poussée, un calcul de sécurité essentiel pour éviter la rupture de la tige.

Chapitre 3 : Les Distributeurs – Organes de Commutation de Puissance

Ce chapitre se concentre sur les pré-actionneurs, en abordant les distributeurs à trois positions et les technologies plus avancées.

3.1. Le Distributeur 4/3 : Positions Centrales et Applications

Les différentes configurations de centre de distributeur hydraulique (centre ouvert, fermé, tandem) sont analysées. Il est montré comment le choix du centre détermine le comportement du circuit au repos (vérin bloqué, pompe en décharge, etc.).

3.2. Le Pilotage des Distributeurs

Les différents modes de commande sont revus, en se concentrant sur le pilotage par électrovanne (électrodistributeur), qui est la base de l’interfaçage avec les systèmes de commande électriques et électroniques.

3.3. Technologie et Performances des Distributeurs

Les caractéristiques de performance d’un distributeur, telles que le débit maximal, la pression de service et le temps de réponse, sont introduites à partir de la lecture de fiches techniques de constructeurs.

3.4. Les Blocs Logiques et Cartouches (Hydraulique)

Une introduction est faite aux blocs forés et aux cartouches logiques, qui permettent de réaliser des fonctions hydrauliques complexes de manière très compacte et intégrée.

Chapitre 4 : Le Contrôle du Débit et de la Pression

Ce chapitre approfondit l’étude des composants qui permettent de moduler la vitesse et l’effort des actionneurs, un aspect essentiel de la commande des machines.

4.1. Les Limiteurs de Débit et le Réglage de Vitesse

Les différentes méthodes de réglage de la vitesse d’un vérin par lamination du débit sont comparées (en entrée, en sortie, en dérivation), en analysant leur influence sur le comportement et le rendement du système.

4.2. Les Limiteurs de Pression (Soupapes de Sécurité)

La technologie des limiteurs de pression est détaillée (à action directe, pilotés). Leur rôle fondamental de protection du circuit est réaffirmé, et leur réglage est pratiqué sur banc d’essai.

4.3. Les Réducteurs et Séquenceurs de Pression

La différence entre un réducteur de pression (qui contrôle la pression en aval) et une valve de séquence (qui ouvre un circuit secondaire quand une pression est atteinte) est expliquée à travers des schémas d’application.

4.4. Le Diviseur de Débit

Le diviseur de débit est présenté comme un composant permettant de synchroniser le mouvement de deux vérins hydrauliques en divisant le débit de la pompe en deux débits égaux, indépendamment des charges.

Partie II : La Pneumatique Industrielle – De la Production aux Circuits Logiques

Cette partie se focalise sur la conception et la maintenance des systèmes à air comprimé, en abordant la chaîne complète, de la production d’air de qualité à la réalisation de séquences automatisées complexes.

Chapitre 5 : Production et Conditionnement de l’Air Comprimé

Ce chapitre insiste sur le fait que la performance d’un système pneumatique dépend avant tout de la qualité de l’air qui l’alimente.

5.1. Audit et Optimisation d’une Centrale d’Air Comprimé

La démarche d’analyse d’une installation existante est présentée : recherche et quantification des fuites, vérification de l’étagement des pressions, et évaluation du coût énergétique de la production d’air comprimé.

5.2. Le Traitement de l’Air : Filtration et Séchage

Les technologies de séchage de l’air (frigorifique, par adsorption) sont étudiées en détail, en lien avec les classes de qualité de l’air requises par les différentes applications (norme ISO 8573).

5.3. Conception et Maintenance du Réseau de Distribution

Les règles de conception d’un réseau en boucle, le dimensionnement des tuyauteries pour limiter les pertes de charge et les opérations de maintenance préventive (purge des points bas) sont systématisées.

5.4. Le Groupe FRL : Sélection et Réglage

La sélection d’un ensemble Filtre-Régulateur-Lubrificateur (FRL) est abordée en fonction du débit requis par la machine. Les procédures de réglage de la pression et du débit de lubrification sont pratiquées.

Chapitre 6 : Conception de Circuits Pneumatiques Séquentiels

Ce chapitre développe les méthodes pour concevoir des automatismes pneumatiques fiables et structurés.

6.1. Outils de Description du Cycle : Grafcet et Diagrammes

Le Grafcet (Graphe Fonctionnel de Commande des Étapes et Transitions) est introduit comme l’outil universel de description des automatismes séquentiels, permettant une analyse claire et rigoureuse du cahier des charges.

6.2. La Logique Pneumatique : Mémoires et Fonctions Logiques

La réalisation de fonctions mémoire (avec des distributeurs 5/2 bistables) et des fonctions logiques de base (ET, OU) avec des composants pneumatiques (sélecteurs, vannes ET) est approfondie.

6.3. Conception de Séquences Simples (Méthode Intuitive)

La méthode intuitive est appliquée pour la conception de cycles simples ne présentant pas de conflits de signaux, comme les séquences linéaires A+B+B-A-.

6.4. Méthodes Systématiques de Conception (Cascade)

Pour résoudre les conflits de signaux dans les séquences plus complexes, la méthode des groupes de pression (ou méthode « cascade ») est introduite. Elle offre une solution systématique et fiable pour la conception de tout automatisme séquentiel.

Chapitre 7 : Diagnostic et Maintenance des Systèmes Pneumatiques

Ce chapitre, à forte connotation pratique, vise à développer une méthodologie de dépannage efficace pour les installations à air comprimé.

7.1. Méthodologie de Recherche de Pannes

Une approche structurée du diagnostic est enseignée : analyse des symptômes, formulation d’hypothèses, tests et mesures (pression, débit), et identification de la cause racine (composant défectueux, fuite, erreur de conception).

7.2. Pannes Liées à la Production d’Air Comprimé

Les pannes typiques en amont du circuit sont analysées : pression insuffisante, présence d’eau ou d’huile dans le réseau, et leur impact sur le fonctionnement des actionneurs.

7.3. Pannes des Composants (Vérins, Distributeurs)

Les modes de défaillance les plus courants des composants sont décrits : usure des joints de vérin (fuites internes), blocage du tiroir d’un distributeur (pollution), bobine d’électrovanne grillée.

7.4. Maintenance Préventive d’un Circuit Pneumatique

Un plan de maintenance préventive type est élaboré, incluant la purge des filtres, la vérification du niveau d’huile du lubrificateur, la recherche de fuites, et le contrôle du bon fonctionnement des capteurs.

Partie III : L’Hydraulique Industrielle – Puissance et Précision

Cette partie se consacre à l’hydraulique, la technologie de la puissance par excellence, en abordant la conception de circuits et en introduisant les technologies de contrôle avancé.

Chapitre 8 : La Centrale Hydraulique et la Gestion du Fluide

Ce chapitre se concentre sur la source de puissance hydraulique et sur l’importance de la qualité de l’huile.

8.1. Conception et Dimensionnement d’une Centrale Hydraulique

La démarche de conception d’un groupe hydraulique est esquissée : calcul du débit et de la pression nécessaires, sélection de la pompe et du moteur, dimensionnement du réservoir et des accumulateurs.

8.2. La Filtration de l’Huile et les Classes de Pollution

L’importance critique de la propreté de l’huile est soulignée. Les classes de pollution (norme ISO 4406) et la sélection des finesses de filtration en fonction de la sensibilité des composants sont étudiées.

8.3. Le Contrôle de la Température du Fluide

Les problèmes liés à une surchauffe de l’huile (dégradation, perte de viscosité) sont analysés. Les solutions de refroidissement (échangeurs air/huile ou eau/huile) et leur dimensionnement sont abordés.

8.4. Les Accumulateurs Hydropneumatiques : Rôle et Applications

Les accumulateurs sont présentés comme des « réservoirs d’énergie sous pression ». Leurs différentes fonctions (réserve d’énergie, amortissement des pulsations, suspension) et leur technologie (à vessie, à piston) sont décrites.

Chapitre 9 : Conception de Circuits Hydrauliques de Puissance

Ce chapitre applique les connaissances des composants à la conception de circuits réalisant des fonctions de puissance et de contrôle.

9.1. Circuits avec Plusieurs Actionneurs

La problématique de l’alimentation de plusieurs récepteurs à partir d’une seule pompe est étudiée, en analysant les interactions et les solutions pour contrôler les mouvements (distributeurs en série, en parallèle, diviseurs de débit).

9.2. Les Circuits de Régénération

Le montage régénératif pour un vérin différentiel est présenté. Il permet d’augmenter considérablement la vitesse de sortie de tige en réinjectant le débit sortant du côté tige vers le côté piston.

9.3. Les Circuits de Freinage et de Contrôle de Charge

Les solutions pour contrôler la descente de charges motrices sont étudiées, notamment l’utilisation de valves d’équilibrage (valves de contre-pression) qui empêchent le vérin de s’emballer.

9.4. Lecture de Schémas Hydrauliques d’Engins

L’analyse de schémas hydrauliques réels, comme celui d’une pelle hydraulique ou d’une machine agricole, est pratiquée pour développer la capacité à comprendre des systèmes complexes et multifonctions, tels que ceux en service dans le Haut-Uele.

Chapitre 10 : L’Hydraulique Proportionnelle

Ce chapitre, enrichi, est une introduction à la technologie de commande avancée qui permet un contrôle progressif et précis de la vitesse et de l’effort.

10.1. Principe de la Commande Proportionnelle

La différence entre un distributeur « tout ou rien » et un distributeur proportionnel est expliquée : ce dernier permet d’obtenir une ouverture du tiroir qui est proportionnelle au signal de commande électrique (courant ou tension).

10.2. Les Distributeurs et Régulateurs de Pression Proportionnels

La technologie des électroaimants proportionnels et des distributeurs qui en sont équipés est décrite. Les applications pour le contrôle fin de la vitesse et de l’accélération d’un vérin sont présentées.

10.3. Les Cartes Électroniques de Commande

La nécessité d’une carte électronique d’amplification et de conditionnement du signal entre la commande (automate, joystick) et l’électroaimant proportionnel est expliquée.

10.4. Introduction aux Servovalves et à l’Asservissement

La servovalve est présentée comme le summum de la précision en hydraulique, permettant de réaliser des asservissements de position, de vitesse ou d’effort de très haute performance, utilisés en aéronautique ou sur des machines d’essai.

Chapitre 11 : Diagnostic et Maintenance des Systèmes Hydrauliques

Ce chapitre, à forte connotation pratique, vise à développer une méthodologie de dépannage pour les circuits hydrauliques, souvent perçus comme complexes.

11.1. Méthodologie et Outils de Diagnostic

Une approche structurée de la recherche de pannes est enseignée. L’utilisation d’outils de mesure spécifiques comme les manomètres à prise rapide et les débitmètres portables est mise en pratique.

11.2. Pannes Liées à la Pompe et au Limiteur de Pression

Les pannes les plus courantes à la source d’énergie sont analysées : pompe usée (débit insuffisant), limiteur de pression déréglé ou bloqué, et leurs conséquences sur le circuit.

11.3. Problèmes de Fuites Internes et Externes

Les deux types de fuites sont distingués : les fuites externes, visibles, et les fuites internes (au niveau des distributeurs, des vérins), plus insidieuses, qui provoquent une perte de performance et un échauffement de l’huile.

11.4. La Contamination de l’Huile : Analyse et Prévention

La contamination de l’huile par des particules solides ou de l’eau est identifiée comme la cause principale de plus de 80% des pannes hydrauliques. Les méthodes d’analyse d’huile et les stratégies de maintenance préventive de la filtration sont soulignées.

Partie IV : Systèmes Hybrides et Études de Cas

Cette dernière partie est consacrée à la synergie entre les technologies et à la mise en œuvre des compétences sur des cas d’étude intégrés, simulant un projet de bureau des méthodes.

Chapitre 12 : Les Circuits Oléo-pneumatiques et Électro-fluidiques

Ce chapitre explore les systèmes qui combinent les avantages de plusieurs technologies pour optimiser une fonction.

12.1. Principe et Avantages des Circuits Oléo-pneumatiques

Le principe de l’oléo-pneumatique, qui associe la puissance de l’air comprimé à la régularité de l’hydraulique, est révisé et approfondi. Ses avantages en termes de contrôle de vitesse à faible coût sont mis en avant.

12.2. Applications : Unités d’Avance et Systèmes de Contrôle

Des applications typiques sont étudiées en détail, comme les unités d’avance pour le perçage ou le taraudage, ou les systèmes de suspension oléo-pneumatique utilisés sur certains véhicules lourds.

12.3. L’Électropneumatique : Commande par Automate Programmable

Le principe de l’électropneumatique est formalisé : la partie puissance reste pneumatique, mais toute la logique de commande est déportée sur un automate programmable industriel (API), qui pilote les électrodistributeurs.

12.4. L’Électro-hydraulique : Puissance et Souplesse de Commande

De même, l’électro-hydraulique est présentée comme la solution standard pour la commande des systèmes hydrauliques modernes, alliant la puissance de l’hydraulique à la flexibilité et à l’intelligence de la commande électronique.

Chapitre 13 : Étude de Cas – Automatisation d’un Poste de Travail

Ce chapitre final est un projet intégrateur qui met en œuvre l’ensemble des compétences du cours.

13.1. Analyse du Cahier des Charges et Choix Technologique

À partir d’un cahier des charges pour un petit poste automatisé (ex: poste de marquage, de serrage ou d’éjection de pièces), l’élève doit analyser le besoin et justifier le choix de la technologie la plus adaptée (pneumatique ou hydraulique).

13.2. Élaboration du Grafcet et du Schéma de Puissance

L’élève doit traduire le cycle de fonctionnement demandé en un Grafcet, puis en déduire le schéma de puissance, en choisissant les actionneurs et les pré-actionneurs nécessaires.

13.3. Conception du Schéma de Commande

Le schéma de commande (logique pneumatique ou électrique câblée) est conçu pour réaliser la séquence décrite par le Grafcet, en incluant les capteurs, les boutons de commande et les sécurités.

13.4. Rédaction du Dossier Technique et du Programme de Maintenance

L’élève finalise le projet en constituant un dossier technique complet (schémas, nomenclature, calculs de dimensionnement simples) et en proposant un plan de maintenance préventive pour l’installation conçue.

Annexes

Les annexes sont des outils synthétiques destinés à une consultation rapide, regroupant les informations clés pour la conception et la maintenance.

Bibliothèque de Symboles ISO 1219 🗺️

Une planche récapitulative présente les symboles normalisés pour tous les composants étudiés au cours de l’année (vérins, distributeurs, clapets, filtres, pompes, moteurs, etc.).

Guide de Dépannage des Pannes Courantes 🔍

Un tableau synthétique aide au diagnostic des pannes fréquentes en pneumatique et en hydraulique (ex: « le vérin ne sort pas », « le mouvement est saccadé »), en listant les causes probables et les vérifications à effectuer.

Abaques de Dimensionnement des Tuyauteries 📏

Des abaques simplifiés sont fournis pour aider au choix du diamètre des tuyauteries hydrauliques et pneumatiques en fonction du débit et de la vitesse de fluide recommandée, afin de limiter les pertes de charge.