Ch.3 - Les circuits de transmission de puissance

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Ch. 3 - LES CURCUITS DE TRANSMISSION DE PUISSANCE

Contenu:

Circuits de transmission des puissances (1.5h), les différentes zones du circuit : Les groupes hydrauliques : Constitution, conception, maintenance, les filtres (efficacité de filtration, choix, et désignation)…

1. Introduction

Un circuit d’hydraulique industrielle est constitué de 3 zones :

 1^ere zone : Source d’énergie : c’est un générateur de débit. (Centrale hydraulique)

 2^ème zone : Récepteur hydraulique : transforme l’énergie hydraulique en énergie mécanique (vérin, moteur hydraulique, turbine)

 3^ème zone : liaison entre les deux zones précédentes.

On peut trouver dans cette zone :

- des éléments de distribution (distributeur) - des éléments de liaison (tuyaux)

- des éléments de contrôle et de régulation (appareils de mesure, de protection et de régulation)

Pour agir sur la Matière d’Œuvre, tout système a besoin d’une énergie qui sera convertie puis adaptée au besoin.

La transmission de puissance par les circuits hydrauliques est très utilisée dans l’industrie. Parmi les avantages et les inconvénients de ce type de transmission, on cite :

- Encombrement réduit - Durée de vie élevée

- Facilité de réglage (ex : réglage de vitesse par action sur le débit) - Possibilité de transmettre des puissances très élevées

- Prix élevé

- Rendement faible

C’est l’ensemble assurant le conditionnement du fluide et sa mise sous pression.

2 . Centrale hydraulique

Elle est constituée essentiellement d’un réservoir d’huile, d’un moteur et d’une pompe

Le rôle d'une centrale hydraulique est la conversion de l’énergie mécanique en énergie hydraulique. Elle est composée aussi de filtres ou crépine, d’un réservoir d’aspiration et d'autres composantes.

Phyd

LIAISON

Pentrée P 'hyd Psortie= Pméc

Réservoir d'huile

Moteur électrique/thermique

Pompe Huile hydraulique

Energie mécanique

Energie hydraulique

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3. Constitution d'une centrale hydraulique

Figure 1

Figure 2 : exemple d'une installation hydraulique

3.1. Le réservoir a) - Description

Le réservoir, encore appelé bâche ou tank, constitue une réserve d’huile (à l’abri des poussières) et en permet un recyclage modéré ainsi que son refroidissement.

Il est soit constitué de tôle d’acier, soit moulé avec ajout de nervures de refroidissement (ailettes augmentant la surface de métal en contact avec l’air). Il est ensuite recouvert de peinture insensible à l’action chimique du fluide. Cette peinture ne doit également pas perturber l’échange thermique.

A partir de 40 litres, il est nécessaire de laisser un dégagement au sol afin de permettre une circulation d’air. Ce dégagement augmente la surface radiante du réservoir et permet d’augmenter la possibilité d’échanges thermiques.

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b) - Constitution générale du réservoir du liquide

Figure 3 : constitution d'un réservoir

Des déflecteurs ou des chicanes isolent l’huile de retour de la zone d’aspiration. Il doit permettre la décantation (séparation des liquides et des solides) du fluide entre le retour et l’aspiration. Cette décantation est favorisée par la pente (5 à 10°) du fond du réservoir. Le point le plus bas est du coté du retour de l’huile.

Une cloison appelée « cloison de tranquillisation » oblige l’huile à circuler le long des parois intérieures du réservoir.

L’huile étant moins agitée, la pollution se dépose mieux.

Au bout d’un certain temps de fonctionnement, on va retrouver toutes les impuretés (liquides, solides, boues) entrainées par l’huile sur le fond du réservoir. Il faut donc le nettoyer régulièrement (vidange, nettoyage).

De plus, le réservoir doit également permettre la désémulsion (séparation des gaz) de l’huile.

La liaison couvercle réservoir doit être étanche, car la première cause de disfonctionnement et d’usure prématurée des composants hydraulique est la pollution de l’huile.

Enfin, le réservoir doit assurer l’alimentation de la pompe qui peut être fixée :

 Sous la plaque sommitale du réservoir (hauteur d’aspiration limitée) ;

 Sous le réservoir (pompe en charge).

Parmi les accessoires indispensables, le réservoir doit posséder :

 Un orifice de remplissage avec un bouchon et un filtre ;

 Un orifice de vidange ;

 Un indicateur de niveau d’huile ;

 Un reniflard (entrée ou sortie d’air avec filtre).

c) - Capacité du réservoir

Le volume d’huile au repos doit être supérieur au volume maximal du circuit. Le volume du réservoir est fonction du débit d’huile de la pompe et de la pression de fonctionnement de l’installation. Pour obtenir le volume du bac d’huile, on utilise des abaques, ou peut prendre comme valeur moyenne de la capacité du réservoir le débit maxi de la pompe pendant 2 minutes.

Crépine (filtre) Bouchon de remplissage

Retour

Aspiration Drain

30 Détermination du réservoir

d) - Symbole des réservoirs

Réservoir ouvert en contact avec l’atmosphère

Réservoir sous pression

Réservoir à surface libre avec conduite d'aspiration en charge

Réservoir à surface libre avec conduite de

retour et de drain au dessous du fluide

Réservoir à surface libre avec conduite de

retour et de drain au dessus du fluide

4. Les filtres

4.1. Nécessité de la filtration :

Pour maintenir la performance d'une installation, la filtration joue un rôle primordial pour garantir une opération prolongée et sans problème de tout le système hydraulique.

La qualité d’une installation hydraulique dépend de celle du filtre qui y inséré. Pour assurer le fonctionnement sécuritaire d’une installation hydraulique de haute sensibilité, il faut que l’huile soit exempte d’impuretés (particule de l’usure, etc.).

Dans 70 à 80% des cas, les pannes survenant dans les circuits hydrauliques peuvent être imputées à une mauvaise qualité du fluide.

La filtration de l’huile est obligatoire pour éviter une détérioration du matériel. En effet, les impuretés présentes dans le fluide, engendrant une pollution de l’huile, provoquent des dégâts comme :

 Une usure anormale et rapide des éléments en mouvement ;

 Un ralentissement du déplacement de certains organes (tiroir d’un distributeur) ;

 Une augmentation des débits de fuite, donc des pertes de charge ;

 Un encrassement des appareils de régulation et de distribution (circuit de pilotage).

La pollution peut être de plusieurs types :

Type Nature Effet

pollution solide - poussières plus ou moins fines, - particules métalliques arrachées à des composants

Ces impuretés peuvent être abrasives et dans ce cas, elles augmentent l’usure donc les fuites internes et les pannes.

Elles peuvent être aussi non abrasives. Dans ce dernier cas, ces impuretés sont issues de la dégradation physico- chimique du fluide ou des joints. Elles finissent alors par coller ou gommer les clapets, les tiroirs, ou obturer des petits orifices entrainant alors des pannes intempestives.

pollution liquide présence d’eau dans l’huile due à:

- la condensation ou

- l’infiltration d’eau de pluie ou de liquide de refroidissement.

- Détérioration du fluide, - Formation d’émulsion, - Corrosion,

- Mauvaise désaération,

- Blocage des composants suite à la formation de gel, - Diminution de l’épaisseur du film lubrifiant…

pollution thermique décomposition de l’huile due à son échauffement anormal.

Une température trop élevée provoque la rupture du film d'huile. Les surfaces sont en contact direct.

Exemples :

 63 L/min et 100 bars donnent un réservoir de 250 Litres ;

 63 L/min et 160 bars donnent un réservoir de 400 Litres.

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4.2. Caractéristiques des filtres

a) - Caractéristiques de sélection d'un filtre

Le choix du filtre et de ses dimensions dépend des conditions techniques suivantes : - Pression de fonctionnement :

Pression maxi dans la partie du circuit où le filtre est installé.

- Type de fluide :

Fluide utilisé dans le circuit où le filtre est installé.

- Gamme de température du fluide :

Valeurs des températures qui le fluide peut posséder. La gamme sera définie par 3 valeurs : températures mini, maxi et normale de fonctionnement.

- Pertes de charge pour le filtre propre :

Différence de pression entre l’entrée et la sortie du filtre avec un élément filtrant propre lorsqu’il reçoit le débit maxi.

- Débit maximal :

Débit maxi du fluide traversant le filtre à la température normale de fonctionnement.

- Perte de charge maximale admissible :

Différence de pression entre l’entrée et la sortie du filtre lorsque l’élément filtrant colmaté lorsqu’il reçoit le débit maxi du fluide traversant le filtre à la température normale de fonctionnement.

b) - Efficacité des filtres

L'efficacité d'un filtre s'exprime par la taille des particules arrêtées par celui-ci, exprimée en µm.

Efficacité absolue:

On indique alors la taille minimale des particules qui seront toutes arrêtées. Par exemple, un filtre absolu à 10 µm ne laissera passer aucune particule de taille > 10 µm.

C'est une indication contraignante pour le fabricant, ce qui explique pourquoi cette garantie est peu utilisée, on parle plus souvent d'efficacité relative.

Efficacité relative:

On donne l'efficacité relative d'un filtre, par taille nominale de particules, en indiquant le pourcentage de particules arrêtées. Par exemple, un filtre ayant une efficacité de 95% à 10 µm ne laissera passer que 5%

de particules de 10µm, en un seul passage. On peut indiquer plusieurs efficacités pour des tailles de particules différentes.

Les fabricants utilisent souvent une autre façon de désigner l'efficacité, le ßX. Ce ßX est indiqué par taille de particule et calculé de la manière suivante:

Figure 4: schéma de filtrage

Plus le Ratio Bêta est élevé pour une taille de particule, plus le filtre est efficace et plus l’huile sera propre.

Exemple



 Un filtre ayant un β₅₀ = 10 signifie que le fluide en amont contient 10 fois plus de particules de 50 µm qu’en aval.

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 Un filtre ayant un β₁₀ = 75

Classe de filtration :

Selon la norme SAE, lorsqu’on procède à un comptage de particules solides contenues dans 100 cm³ de fluide prélevé dans une installation hydraulique. Le degré de pureté est réparti dans 7 classes.

Les servovalves nécessitent l’emploi d’un fluide dans les classes 1 ou 2 ou 3.

Les valves proportionnelles nécessitent l’emploi d’un fluide dans la classe 5.

Taux de rétention :

Valeur en % = 100

‰x 1

‰x 

Dans l'exemple : ₁₀ > 75, le taux de rétention est : 100 75

1 75 

= 98,67 % Finesse de filtration : 3, 5, 10, 20, 25 m.

Une filtration efficace réduira donc les causes de pannes et par là-même les temps d’arrêt machine. De plus, les composants travaillant dans un environnement plus propice, ils auront une durée de vie plus grande.

Suivant les composants utilisés, les contraintes de filtration sont différentes :

 10 à 25 μm pour les composants standards ;

 3 à 5μm pour les composants sensibles à la pollution comme les servovalves.

Figure 5: La contamination solide : aperçu des dimensions des particules

4.3. Emplacement des filtres a) – Introduction :

Dans un souci d’efficacité de la filtration, il faut alors se poser la question sur le meilleur emplacement possible pour installer un filtre dès lors que toutes les autres dispositions de prévention de la pollution ont été prises (suppression des pollutions dues aux manipulations, au transport et à la filtration de l’air aspiré par le réservoir).

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Selon la position du filtre dans le système, on distingue :

b) - Filtrage à l’aspiration (avant la pompe):

Cette disposition beaucoup utilisée est cependant déconseillée. Le filtre d'aspiration se compose généralement d'une cartouche jetable en papier qui est vissée directement à la conduite d'aspiration, sous le niveau d'huile. Il est utilisé sur de petits systèmes, car ce filtre est relativement grossier.

Emplacement Le filtre est installé avant la pompe.

Avantages Tout le circuit est protégé, pompe comprise.

Inconvénients

- Le filtre générant une perte de charge supplémentaire à l’aspiration

- La filtration ne peut être que grossière (100 à 125μm), donc peu efficace car un filtrage trop fin freinerait l’aspiration.

- Le filtre étant immergé dans le réservoir, il est facile d’en oublier la présence lors des opérations de maintenance.

- Un colmatage (bouchage) de ce filtre peut avoir des conséquences graves sur la durée de vie des pompes en engendrant des phénomènes de cavitation.

Ces filtres, appelés aussi crépines, sont presque toujours présents dans le circuit, mais ils ne suffisent généralement pas à la protection et doivent être complétés par une des solutions suivantes.

c) – Filtrage au refoulement (juste après la pompe) :

Ce mode de filtration tend à se généraliser mais impose des corps de filtres ainsi que des éléments filtrants susceptibles de soutenir la pression du circuit.

Les filtres sur pression sont conçus pour montage direct dans des conduites sous pression. Ils se montent en général en amont d'organes de commande et de réglage à protéger.

Emplacement Le filtre est installé après la pompe (ou avant une portion de circuit).

Avantages

- la protection des composants contre les impuretés est garantie (tout le circuit est protégé).

- L’efficacité de filtration est située en moyenne aux alentours de 10 μm

- Le corps de filtre et l'ensemble des éléments de liaison sont conçus pour absorber de manière sûre les pointes de pression.

Inconvénients - Le filtre souvent très coûteux (car volumineux pour supporter la pression du circuit).

- La pompe n’est pas protégée.

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d) – Filtrage sur le retour :

Tous les retours sont filtrés, ce qui permet un nettoyage de l’huile, Le filtre de retour est généralement monté dans le réservoir. il filtre le flux d'huile complet juste avant que celui-ci pénètre dans le réservoir.

Emplacement Le filtre est installé sur les canalisations de retour d’huile au réservoir.

Avantages - L’efficacité de filtration est située en moyenne aux alentours de 25 μm (maille très fine) - L’accessibilité facile de ce type de filtre en rend l’entretien facile.

- Les filtres sont plus légers et moins chers.

Inconvénients - Les filtres doivent être équipés pour les protéger contre colmatage.

- La protection des appareils contre les particules contenues dans le réservoir n’est pas assurée.

En revanche, toutes les particules émises par les composants (vérins, distributeurs) sont arrêtées par ces filtres.

Il faut faire attention au dimensionnement de ces filtres en termes de débit et il est fortement conseillé de les équiper de clapets « by-pass » afin d’éviter toute surpression dans le circuit en cas de colmatage. De plus, ces filtres peuvent être équipés d’un indicateur de colmatage optique ou électrique

e) – Filtrage en recirculation :

Il s’agit d’un circuit parallèle au circuit principal dont l’objectif unique est la filtration. On installe donc un groupe motopompe et un filtre, indépendants du circuit principal, dont le seul but est de filtrer le fluide.

Cette solution est très efficace mais ne dispense pas l’installation de filtres dans le circuit principal. De cette manière, le fluide est filtré en continu.

4.4. Protection des filtres :

Il s'agit essentiellement d'une protection contre le colmatage. A force d'arrêter des particules, le filtre finit par se boucher (se colmater) et il est nécessaire de le remplacer.

Si ce remplacement n'est accidentellement pas fait, les parois du filtre colmaté vont se déchirer sous l'effet de la perte de charge ainsi occasionnée et toutes les particules accumulées vont se déverser d'un coup dans le circuit.

Les protections courantes des filtres sont les suivantes:

Symbole Désignation Elément de

protection Description

Filtre avec indicateur de colmatage à

voyant Les indicateurs

de colmatage

Les indicateurs de colmatage donnent une information lorsque la perte de charge provoquée par le colmatage devient inacceptable. Cette information peut être un voyant, un contact géré par la partie commande...

Filtre avec indicateur de colmatage à contacts

35 Filtre avec

limiteur de pression by-pass

Le limiteur de pression by- pass

- Si le filtre est colmaté et la perte de charge provoquée (colmatage) devient inacceptable, le débit d'huile passe par le limiteur de pression (ou le clapet) à côté du filtre. L'huile n'est plus filtrée mais le déchirement du filtre est évité.

- Ce dispositif protège également le filtre lors des démarrages à froid, lorsque la viscosité de l'huile est trop importante.

- La plupart des filtres sont équipés de ce dispositif.

Filtre avec clapet anti-retour taré

Le clapet anti- retour en dérivation

Q_v

Filtre protégé contre le retour d'huile

Le clapet anti- retour

Les clapets anti-retour évitent un débit à contresens, ce qui provoquerait un retour des impuretés accumulées dans le circuit.

Cette protection est nécessaire en particulier pour les filtres au retour lorsque le circuit peut (ou doit)

"réaspirer" de l'huile (présence de vérins en particulier).

4.5. Exemples d'emplacement de filtres