Avant d’étudier les défaillances qui peuvent survenir dans une pompe à pistons axiaux, nous allons tout d’abord présenter ses différents composants ainsi que son principe de fonctionne-ment. La description est réalisée à partir d’une pompe conçue avec un barillet tournant.
2.2.1 Principe de fonctionnement
Les éléments essentiels constituant une pompe sont : les pistons, le barillet, le plateau cy-clique et la plaque de distribution (voir la figure 2.1). Les pistons sont positionnés de façon circulaire dans le barillet mobile en rotation autour de l’arbre d’entrainement. Ainsi lors du
mouvement de rotation de ce barillet, l’ensemble piston-rotule glisse en appui sur un plateau oblique immobilisé en rotation et libre en inclinaison. Le piston est ainsi animé d’un mouve-ment de translation dans le barillet qui génère le pompage. Une plaque de distribution portant deux lumières circulaires permet l’admission ou le refoulement du fluide de/vers la chambre du piston. L’aspiration se fait sur un demi-tour de rotation et le refoulement sur l’autre demi-tour. Derrière la plaque de distribution (à l’extrémité opposée au plateau oblique), la pompe dispose d’une chambre d’aspiration et de refoulement permettant la connexion aux tuyaux d’admis-sion et de refoulement. Le fluide passe de la chambre d’aspiration à travers le port d’aspiration de la plaque de distribution pour remplir les pistons pendant le premier demi-tour de rotation. Durant le deuxième demi-tour, le fluide part des pistons vers la chambre de refoulement en passant par le port de refoulement de la plaque de distribution.
Pour comprendre le cycle de pompage par un piston, nous allons considérer que la position initiale du piston est le PMH (Point Mort Haut). Ce dernier représente la position la plus proche du piston par rapport à la plaque de distribution, par conséquent, le PMB (Point Mort Bas) représente la position la plus éloignée du piston par rapport à la plaque de distribution. Nous assumons que la rotation se fait selon le sens horaire et que le mouvement du piston vers la plaque de distribution représente le sens positif de translation. Le piston démarre au PMH et se présente peu à peu en face du port d’aspiration de la plaque de distribution tout en effectuant un mouvement de translation négatif. Pendant cette phase, le piston se remplit avec le fluide, la pression est égale à la pression basse de la chambre d’aspiration (position A sur la figure). Arrivé au PMB, le piston rempli par le fluide inverse le sens de sa course, entre progressivement en contact avec le port de refoulement de la plaque de distribution poussant le fluide en pression dans la chambre de refoulement (position B sur la figure).
Nous avons mis en œuvre ce type de pompe dans le cadre de cette thèse et par conséquent
choisi un produit adapté à notre projet (pompe Hydac). C’est cette pompe que nous allons présenter dans la section suivante.
2.2.2 Description de la pompe HYDAC
La pompe HYDAC PPV103-10 est une pompe hydraulique à pistons axiaux qui contient neuf pistons. Son prix avoisine les 1000 euros. C’est une pompe à cylindrée variable fonctionnant avec un barillet tournant. Elle se compose principalement de : pistons, barillet, plateau cy-clique, plaque de distribution. Le piston est un corps cylindrique creux traversé par un orifice au milieu, à son extrémité se trouve une rotule à surface annulaire traversée également par un orifice a son centre (voir figure2.2a). Le barillet a une forme cylindrique. D’un côté, il contient neuf alésages cylindriques qui servent comme logement aux pistons et de l’autre côté neuf lu-mières qui servent à connecter les pistons aux chambres d’aspiration et de refoulement (voir figure2.2b). Le plateau cyclique est montré sur la figure2.2c. D’un côté, il contient une surface circulaire traitée afin de minimiser les frottements avec les rotules. De l’autre côté, il contient deux coussinets cylindriques qui lui permettent de pivoter et ainsi changer la cylindrée de la pompe. La plaque de distribution est une pièce circulaire qui contient deux ports : le premier est le port d’aspiration qui contient deux lumières et le deuxième est le port de refoulement qui contient trois lumières. Cette pièce assure la connexion des lumières du barillet avec les chambres de refoulement et d’aspiration de la pompe (voir figure2.2d). À l’entrée de chaque port de la plaque de distribution, il y a un sifflet d’une forme triangulaire. Ces sifflets servent à diminuer les ondulations du signal de pression de sortie. D’autres composants complètent la pompe : le régulateur de cylindrée, le ressort de retour, l’arbre d’entrainement et les roulements. La pompe est traversée par un arbre d’entrainement guidé par un roulement à aiguilles d’un côté et un roulement à billes de l’autre côté (voir la figure2.3a). L’arbre traverse le plateau cy-clique, le barillet et la plaque de distribution. Le seul composant entraîné en rotation est le barillet. La transmission du mouvement rotatif se fait par des cannelures mécaniques. Ce mou-vement est ensuite reçu par les pistons qui sont logés dans les cylindres du barillet. Au bout de chaque piston, une rotule permet son articulation et le glissement sur le plateau cyclique (ou plateau inclinable). Ce plateau est incliné par rapport à l’axe de rotation. Cette inclinaison défi-nit à la fois la longueur et le changement de la course des pistons. Les rotules sont en appui plan sur le plateau cyclique et sont maintenues en contact avec celui-ci par un anneau de retenue pendant la phase d’aspiration (voir figure2.3). La paire (plateau cyclique/anneau de retenue) assure le guidage des pistons en translation. L’anneau de retenue est monté sur un coussinet sphérique mâle qui lui permet de pivoter afin d’avoir la même inclinaison que le plateau cy-clique.
La cylindrée de la pompe est ajustable à l’aide de la vis de réglage de cylindrée (régulateur de cylindrée) et du ressort de rappel. Le barillet est maintenu contre la plaque de distribution grâce à un ressort central qui assure le jeu de fonctionnement voulu entre les deux composants.
Tous les composants internes de la pompe sont immergés dans un carter rempli d’huile qui sert à lubrifier les éléments en mouvement.
(a) Piston. (b) barillet.
(c) plateau cyclique. (d) plaque de distribution. FIGURE2.2 – Composants essentiels de la pompe HYDAC.
(a) Vue en coupe de la pompe HYDAC.
(b) Vues des sections A-A et B-B.
FIGURE2.3 – Schématisation de la pompe HYDAC.
2.2.3 Modes de défaillance
L’objectif étant la mise en place d’une maintenance préventive conditionnelle, nous pro-posons dans cette section une étude des modes de défaillance de cette pompe. La table 2.1 regroupe les principaux modes de défaillance habituels pour ce type de pompe ainsi que leurs
causes et leurs impacts.
TABLE2.1 – Modes de défaillance par composant.
Composant Mode de Cause Impact
défaillance
Piston.
-Usure. -Frottement avec le -Perte de performance.
-Grippage. barillet. -Augmentation du bruit et des
vi-brations.
-Augmentation des fuites internes.
Barillet.
-Usure. -Frottement avec les -Perte de performance.
-Grippage. pistons. -Augmentation du bruit et des
-Frottement avec la vibrations.
plaque de distribution. -Augmentation des fuites internes. -Casse des -Fatigue. -Bruit et vibration très élevés. cannelures. -Défaut d’usinage. -Augmentation du couple
d’en-trainement requis. -Usure. -Frottement avec le -Perte de performance.
Plaque de -Grippage. barillet. -Augmentation du bruit et des
distribution. vibrations.
-Augmentation des fuites internes.
-Casse des -Fatigue. -Perturbation des courses des
Coussinet cannelures. -Défaut d’usinage. pistons.
sphérique. -Augmentation du bruit et des
vibrations.
-Usure. -Frottement avec les -Perte de performance.
Plateau -Grippage. rotules. -Augmentation du bruit et des
cyclique. vibrations.
-Augmentation des fuites internes.
Roulements.
-Grippage. -Fatigue. -Augmentation du couple
-Écaillage. -Effort trop important. d’entrainement requis.
-Fissure. -Augmentation du bruit et des
vibrations.
Ressort -Diminution de -Vieillissement. -Perte de performance.
central la raideur. -Augmentation des fuites internes.
TABLE2.1 – Modes de défaillance par composant.
Composant Mode de Cause Impact
défaillance
Ressort -Diminution de -Vieillissement. -Réglage de cylindrée imprécis. de retour la raideur.
Rotule
-Jeu -Frottement avec le -Perte de performance.
-Grippage. piston. -Augmentation du bruit et des
-Casse. -Frottement avec le vibrations.
plateau cyclique. -Augmentation des fuites internes.
À partir de la table2.1, il peut être constaté que le mode de défaillance le plus courant est le grippage. Ce dernier est généralement le résultat des frottements qui se produisent à l’intérieur d’un composant ou entre deux composants en contact. En effet, les frottements entre compo-sants, même s’ils sont lubrifiés, provoquent des dégradations sur les surfaces en action. Quand les composants dégradés sont directement concernés par l’effet de pompage (piston, barillet, plaque de distribution, plateau cyclique), la performance du système est impactée. Ceci est ac-compagné par l’augmentation du bruit, des vibrations et des fuites internes. D’où notre intérêt pour les fuites internes qui sont le résultat direct de la dégradation des composants internes de la pompe.