R3.06 – Composants Fluidiques - Université Clermont Auvergne - PDF

R3.06 – Composants Fluidiques BUT Université Clermont Auvergne Institut Universitaire de Technologie Bachelor Universitaire de Technologie Génie Industriel et Maintenance Ressource R3.06 : COMPOSANTS FLUIDIQUES...

R3.06 – Composants Fluidiques BUT Université Clermont Auvergne Institut Universitaire de Technologie Bachelor Universitaire de Technologie Génie Industriel et Maintenance Ressource R3.06 : COMPOSANTS FLUIDIQUES Généralités sur les systèmes hydraulique Les pompes Les récepteurs hydrauliques Les distributeurs Les clapets anti-retours Les appareils de pression Les appareils de débit Cours 1 / 71 TC-CD-GR  R3.06 – Composants Fluidiques BUT TABLE DES MATIERES TABLE DES MATIERES....................................................................................... 2 GENERALITES SUR LES SYSTEMES HYDRAULIQUES.................................... 4 1 INTRODUCTION........................................................................................................................................... 4 1.1 Comparatif pneumatique / hydraulique....................................................................................................... 4 1.2 Avantages / inconvénients.......................................................................................................................... 4 1.3 Chaine fonctionnelle en hydraulique.......................................................................................................... 5 2 CENTRALE HYDRAULIQUE........................................................................................................................ 5 2.1 Centrale hydraulique compacte.................................................................................................................. 6 2.2 Le réservoir................................................................................................................................................. 6 2.3 Huile............................................................................................................................................................ 8 2.3.1 Base minérale........................................................................................................................... 8 2.3.2 Base synthétique...................................................................................................................... 9 2.3.3 Huiles biodégradables.............................................................................................................. 9 2.3.4 Viscosité cinématique............................................................................................................... 9 2.3.5 Indice de viscosité...................................................................................................................10 2.4 La filtration................................................................................................................................................11 2.4.1 La notion de classe de propreté.............................................................................................11 2.4.2 Position des filtres dans l’installation......................................................................................12 2.4.3 Efficacité des filtres.................................................................................................................14 2.5 La régulation thermique du fluide hydraulique..........................................................................................14 2.5.1 Systèmes intermittents...........................................................................................................14 2.5.2 Refroidisseur huile/air.............................................................................................................15 2.5.3 Refroidisseur huile/eau...........................................................................................................15 2.6 Les blocs forés..........................................................................................................................................16 2.6.1 Plan de pose...........................................................................................................................16 2.6.2 Implantation / Adaptation........................................................................................................17 3 CANALISATION..........................................................................................................................................18 3.1.1 Le dimensionnement d’une canalisation hydraulique.............................................................18 3.1.2 Perte de charges admissibles.................................................................................................18 3.1.3 Approche rapide pour le calcul...............................................................................................18 LES POMPES..................................................................................................... 19 1 FONCTION DES POMPES.........................................................................................................................19 2 POMPES CENTRIFUGES..........................................................................................................................19 3 POMPES PERISTALTIQUES.....................................................................................................................20 4 POMPES VOLUMETRIQUES A CYLINDREE FIXE...................................................................................20 4.1 Caractéristiques des pompes volumétriques............................................................................................20 4.2 Classification des pompes volumétriques................................................................................................21 4.3 Pompes à engrenages..............................................................................................................................22 4.3.1 Pompes à engrenages extérieurs...........................................................................................22 4.3.2 Pompes à engrenage intérieur...............................................................................................24 4.4 Pompes à palettes....................................................................................................................................25 4.5 Pompes à pistons.....................................................................................................................................26 4.5.1 Pompes à pistons radiaux en ligne.........................................................................................26 4.5.2 Pompes à pistons radiaux en étoile........................................................................................28 4.5.3 Pompes à pistons axiaux et axe rectiligne.............................................................................29 4.5.4 Pompes à pistons axiaux et axe brisé....................................................................................30 4.5.5 Caractéristiques des pompes à pistons..................................................................................31 5 POMPES VOLUMETRIQUES A CYLINDREE VARIABLE.........................................................................31 5.1 Intérêt d’une cylindrée variable.................................................................................................................31 5.2 Pompes à palettes à cylindrée variable....................................................................................................32 5.3 Pompes à pistons à cylindrée variable.....................................................................................................32 5.3.1 Pompes à pistons radiaux à cylindrée variable......................................................................32 5.3.2 Pompes à pistons axiaux et axe rectiligne à cylindrée variable.............................................33 5.3.3 Pompes à pistons axiaux et axe brisé à cylindrée variable....................................................33 5.4 Commande des pompes à cylindrée variable..........................................................................................34 6 DIAGNOSTICS DE PANNES DES POMPES HYDRAULIQUES...............................................................34 LES RECEPTEURS HYDRAULIQUES............................................................... 38 1 LES VERINS LINEAIRES...........................................................................................................................38 Cours 2 / 71 TC-CD-GR  R3.06 – Composants Fluidiques BUT 1.1 Les différents vérins..................................................................................................................................38 1.2 Rendement et Puissance..........................................................................................................................38 1.3 L’amortissement........................................................................................................................................38 1.4 Vérins ISO 6020 et Vérins Mécano soudés..............................................................................................38 1.5 Les constituants d’un vérin.......................................................................................................................39 1.6 Vérin simple effet......................................................................................................................................39 1.7 Vérin double effet......................................................................................................................................40 1.8 Dimensionnement d’un vérin....................................................................................................................40 2 VERIN ROTATIF.........................................................................................................................................43 2.1 Vérin rotatif à palette.................................................................................................................................43 2.2 Vérin rotatif à crémaillère..........................................................................................................................43 2.3 Vérins rotatifs à engrenage.......................................................................................................................44 LES DISTRIBUTEURS........................................................................................ 45 1 Fonctions et symboles.................................................................................................................................45 1.1 Nom des orifices selon E 48-141..............................................................................................................45 1.2 Désignation des distributeurs...................................................................................................................45 1.3 Les différentes commandes......................................................................................................................47 1.4 Les distributeurs à tiroir............................................................................................................................47 1.4.1 Fonctionnement......................................................................................................................47 1.4.2 Commande électrique.............................................................................................................47 1.4.3 Commande électro-hydraulique..............................................................................................48 1.4.4 Le recouvrement.....................................................................................................................50 1.4.5 Les distributeurs multiples......................................................................................................51 1.5 Les distributeurs à clapet.........................................................................................................................53 1.5.1 Les distributeurs rotatifs..........................................................................................................55 LES CLAPETS ANTI-RETOUR........................................................................... 56 1 Le clapet anti-retour simple.........................................................................................................................56 2 Le clapet anti-retour taré.............................................................................................................................56 3 Le clapet anti-retour piloté...........................................................................................................................56 LES APPAREILS DE PRESSION....................................................................... 58 1 Les limiteurs de pression.............................................................................................................................58 1.1 Les limiteurs de pression à action directe................................................................................................58 1.2 Les limiteurs de pression à action indirecte ou commande pilotée..........................................................59 2 Les réducteurs de pression.........................................................................................................................60 2.1 Réducteur de pression à action directe à deux voies...............................................................................61 2.2 Réducteur de pression piloté 2 voies.......................................................................................................62 2.3 Réducteur de pression piloté avec Clapet anti-retour intégré.................................................................64 LES APPAREILS DE DEBIT............................................................................... 65 1 Limiteur ou étrangleur de débit....................................................................................................................65 1.1 Limiteur de débit non compensé...............................................................................................................65 1.2 Limiteur de débit compensé en température............................................................................................67 2 Régulateur de débit.....................................................................................................................................69 2.1 Régulateur de débit 2 orifices...................................................................................................................69 2.2 Régulateur de débit 3 orifices...................................................................................................................70 2.3 Positionnement d’une limitation de débit..................................................................................................71 Cours 3 / 71 TC-CD-GR  R3.06 – Composants Fluidiques BUT GENERALITES SUR LES SYSTEMES HYDRAULIQUES 1 INTRODUCTION La partie hydraulique d’une machine n’est qu’un moyen de transférer l’énergie source vers l’effecteur. L’énergie de départ est soit électrique (industriel), soit mécanique (mobile). Le principal atout de l’hydraulique est de pouvoir moduler aisément la puissance même si celle-ci est très élevée. Certains fabricants d’engins ne font le choix de la transmission hydraulique que pour contrôler efficacement la puissance du moteur. L’ensemble pompe-moteur hydro s’insère directement entre le moteur thermique et l’arbre de transmission, en lieu et place de la boite à vitesse. Le seul gain recherché est la souplesse de commande. Les domaines d’application sont très variés tel que : Aéronautique (train d’atterrissage, dérive, portes …) Marine (gouvernail, grues de pont …) Manutention (chariot à mat frontal, grue d’atelier …) Travaux publics (engin de chantiers …) Industrie (presse en sidérurgie …) De nombreux autres domaines (simulateurs, machines agricoles, …) 1.1 Comparatif pneumatique / hydraulique Figure 1 Comparatif des technologies pneumatique / hydraulique 1.2 Avantages / inconvénients Avantages : Les vérins et moteurs hydrauliques peuvent démarrer en charge, y compris avec des charges élevées. Très bonne régulation de la vitesse grâce aux propriétés incompressibles de l’huile Les actionneurs sont autolubrifiés lors de leur fonctionnement ce qui permet d’améliorer la fiabilité Inconvénients : Les pressions élevées peuvent être cause d’accidents en cas de fuites. Coût d’installation des équipements élevée, cependant les coûts de d’exploitation et de maintenance sont relativement faibles par rapport à d’autres technologies. Risque d’incendie (l’huile est inflammable) Pertes de charges dans les canalisations entrainant une baisse du rendement. Maintenance salissante et produisant de nombreux déchet souillé. Cours 4 / 71 TC-CD-GR  R3.06 – Composants Fluidiques BUT 1.3 Chaine fonctionnelle en hydraulique Génération de la Modulation de la Utilisation de la puissance puissance puissance hydraulique hydraulique hydraulique Centrale Distributeur Vérin hydraulique Clapets Moteur Appareil de pression Appareil de débit Figure 2 Chaine fonctionnelle Les représentent les tuyaux et flexibles permettant de faire transiter le fluide hydraulique entre les composants du système hydraulique. 2 CENTRALE HYDRAULIQUE La centrale hydraulique (appelé aussi groupe hydraulique) permet la génération de la puissance hydraulique. C’est en fait un générateur de débit qui est capable résister à une certaine pression car la pression née de la résistance rencontrée par le fluide dans son écoulement. Figure 3 Ecorché d'une centrale hydraulique Figure 4 Plan d'une centrale hydraulique Cours 5 / 71 TC-CD-GR  R3.06 – Composants Fluidiques BUT Le moteur électrique qui permet de convertir l’énergie électrique en énergie mécanique La pompe hydraulique qui va transformer cette énergie mécanique en énergie hydraulique, le débit de la pompe représente le volume d’huile expulsé par unité de temps. Le manomètre qui est l’appareil permettant de mesurer la pression hydraulique Le réservoir aussi appelé bâche ou tank, qui va stocker le fluide permettant le fonctionnement du groupe hydraulique mais il va aussi permettre de refroidir, de décanter et de dégazer le fluide. Le limiteur de pression, permettant de limiter la pression (protection de la pompe) Le filtre qui va filtrer l’huile (stockage des déchets en suspension dans l’huile) 2.1 Centrale hydraulique compacte Pour des applications intermittentes engendrant peu d’échauffement du fluide il existe dans le commerce des centrales hydraulique préfabriquées. Les principaux avantages sont -Le coût -la disponibilité -Facilité de mise en œuvre Figure 5 Plan d'une centrale compacte Figure 6 Photo d'une centrale compacte Figure 7 Tableau de détermination d’une centrale optimisée HydrOptimum (source ACE) 2.2 Le réservoir Le réservoir est utilisé pour le stockage des fluides. Il est constitué d’une cuve en acier ou en aluminium séparée en deux chambres par une cloison de stabilisation : Une chambre d’aspiration où se trouve le filtre d’aspiration (crépine) et une chambre de retour. Cela permet d’isoler les polluants et favorise le dégazage. Cours 6 / 71 TC-CD-GR  R3.06 – Composants Fluidiques BUT Il participe aussi au refroidissement du fluide hydraulique dans les petits systèmes. Afin de limiter les remous le volume du réservoir doit être adapté au débit de la pompe. Le volume du réservoir sera environ de 4 fois le volume refoulé par la pompe en une minute. Figure 8 Réservoir aluminium (Groupe hydraulique compact) Figure 9 Réservoir mécanosoudé avec refroidisseur externe Le réservoir dispose en plus des composants suivants : Jauge : Elle permet de connaitre le niveau de fluide hydraulique dans le réservoir. Ce niveau doit être contrôlé avec les vérins en position rentrée et avec une huile à température ambiante. Sonde de température : permet de renvoyer une alarme si la température de fonctionnement est dépassée environ 50°C pour les systèmes industriels. Reniflard : Il permet l’équilibrage de la pression interne du réservoir avec la pression atmosphérique lors des variations de niveau d’huile, l’air pénétrant dans le réservoir doit être filtré. Orifice de remplissage Orifice de vidange Crépine d’aspiration, la perte de charge à l’aspiration des pompes doit absolument être très limité pour ne pas engendrer de cavitation. Orifice d’aspiration Orifice de retour Figure 10 Symboles normalisés des réservoirs Le réservoir unique peut être représenté une ou plusieurs fois sur un schéma. Il est repéré par la lettre T. Cours 7 / 71 TC-CD-GR  R3.06 – Composants Fluidiques BUT 2.3 Huile Dans les systèmes hydrauliques hydrostatiques, les fonctions de l’huile sont : La transmission de l’énergie sous forme de pression La lubrification des organes comme : les pompes, les moteurs, les vérins, les joints... Le refroidissement des équipements (pertes de charge et frottements mécanique) La protection des composants contre la corrosion Le maintien de l’étanchéité des équipements L’évacuation des polluants, qui sont rejetés vers les filtres 2.3.1 Base minérale Le principal avantage de ces huiles est le coût très modeste. Ce dernier dépend du conditionnement (bidon, tonnelet, fût, mini-container), mais on peut considérer que le prix moyen est de 2 à 4 € par litre. La norme de référence pour les huiles minérales est la norme ISO 6743-4. Le tableau suivant donne les codes utilisés dans cette norme et leur équivalent dans la norme DIN 51524. Figure 11 Tableau des types d'huile hydraulique à base minérale (Source Unitop) Les huiles les plus couramment utilisées dans l’industrie sont de la catégorie HM. Pour les systèmes mobiles il est privilégié les huiles de la catégorie HV. Cours 8 / 71 TC-CD-GR  R3.06 – Composants Fluidiques BUT 2.3.2 Base synthétique Ces huiles étant nettement plus chères, elles sont réservées à des usages particuliers qui exigent des caractéristiques spécifiques (ininflammabilité, stabilité de la viscosité / température, …). Attention, elles peuvent être très dangereuses pour l’homme et pour l’environnement. Figure 12 Tableau des types d'huile hydraulique à base synthétique (Source Unitop) 2.3.3 Huiles biodégradables Elles sont destinées essentiellement pour des activités en milieu environnemental sensible (milieu forestier, zones fluviales…). Ces huiles ne sont pas miscibles avec des huiles minérales. Même pour un simple appoint. Elles sont sensiblement plus chères que les huiles minérales. Figure 13 Tableau des types d'huile hydraulique biodégradables 2.3.4 Viscosité cinématique La viscosité cinématique des huiles varie de manière importante en fonction de la température. On considère la viscosité comme optimale sur une plage de 16 à 36 CentiStokes (cSt) ou mm/s² pour le rendement et la durée de vie des composants. Il n’est donc pas souhaitable d’avoir moins de 10cSt pour éviter les risques de perte du film lubrifiant entre les pièces et entraîner des arrachements de matière, voire un grippage. La codification de la classe de viscosité correspond à la viscosité à 40°C. On trouve des classes du type VG22, VG32, VG46, VG68. Plus la température de fonctionnement dans l’application est élevée, plus des classes de viscosité élevées seront privilégiées Cours 9 / 71 TC-CD-GR  R3.06 – Composants Fluidiques BUT Le diagramme suivant permet de connaitre la viscosité en fonction de la température de l’huile pour des huiles de type HM. Figure 14 Diagramme d'évolution de la viscosité en fonction de la température pour les huiles VG (VI = 100) Il est indispensable d’adapter la viscosité de l’huile en prenant en compte les préconisations constructeurs de l’équipement et la température d’utilisation. L’huile la plus utilisée pour des systèmes industriels à fonctionnement continue est la HM VG 46. 2.3.5 Indice de viscosité L'indice de viscosité (viscosity index (VI), en anglais) est une échelle reposant sur un rapport sans dimension, qui indique le degré de variation de la viscosité des produits pétroliers et des produits connexes, tels que les huiles lubrifiantes, en fonction de la variation de la température. Plus cet indice est élevé, moins la viscosité de ces liquides est influencée par la température comme le montre le diagramme suivant. Figure 15 Variation de la viscosité en fonction de la température pour 2 huiles d'indice de viscosité différent Cours 10 / 71 TC-CD-GR  R3.06 – Composants Fluidiques BUT 2.4 La filtration La filtration permet de lutter contre la contamination solide qui correspond à : Une contamination solide métallique (carbure, silice, rouille, fer, acier, bronze, laiton,...) causée par une usure interne des organes mécaniques Une contamination ou pollution de particules étrangères extérieures (exemples : poussières) causée par des usures prématurées des systèmes d’étanchéité, les opérations de maintenance, les conditions de stockage,... La contamination associée aux lubrifiants crée en général un effet d'abrasion entraînant d'autres pollutions et une détérioration accélérée des équipements. 80% des dysfonctionnements sont dû à un défaut de filtration. 2.4.1 La notion de classe de propreté Le code de propreté à 3 chiffres selon l’ISO 4406 est utilisé pour quantifier le nombre de particules supérieure à 4μ, 6μ et 14μ dans 100 ml. Il est important de comprendre que chaque fois qu'un chiffre de code augmente de 1, le nombre de particules correspondantes est doublé comme le montre le tableau suivant : Noté classe 24/22/19 selon ISO 4406 Noté classe 16/14/11 selon ISO 4406 Figure 16 Nombre de particules maximum acceptable pour une classe de propreté recherchée (Source amo-technologies) La norme ISO 4406 donne aussi la classe de propreté recommandée pour chaque organe d’un système hydraulique. L’huile choisi devra nécessairement posséder la classe de propreté requise par le plus critique des organes. Cours 11 / 71 TC-CD-GR  R3.06 – Composants Fluidiques BUT Figure 17 Classe de propreté recommandée pour chaque organe (Source amo-technologies ) Les huiles dites « fraiches » ou « neuves » sont parfois dans une classe de propreté supérieure à celle requise par l’équipement. Cette pollution peut être causée par exemple par le contenant d’huile comme les fûts métalliques par exemple. Il sera nécessaire de filtrer l’huile au moment du transfert dans le système hydraulique grâce à un groupe de remplissage et de filtration. Le point de remplissage devra se situer en amont du filtre retour. 2.4.2 Position des filtres dans l’installation Le schéma suivant montre les différents filtres installables sur un système hydraulique. Figure 18 Schéma hydraulique montrant les filtres installables Cours 12 / 71 TC-CD-GR  R3.06 – Composants Fluidiques BUT Les filtres placés à l’aspiration (crépine) Emplacement Avant la pompe Avantages Protège l’intégralité des composants Inconvénients Filtration fine non envisageable, risque de cavitation de la pompe Finesse de filtration 125 à 300µm Figure 19 : Crépine d'aspiration (Source parker) Les filtres placés sur le retour Emplacement Sur les canalisations de retour d’huile. Avantages La perte de charge est indifférente La maille du filtre peut être très fine Les filtres sont légers et peu chère Inconvénients Ils doivent être protégés contre le colmatage Finesse de filtration 10 à 25µm Cette solution efficace et économique est très souvent employée. A noter qu’il peut être intéressant de filtrer les retours de drains. Ils possèdent un clapet by-pass taré à 3 bars pour protéger le filtre d’un écrasement. Ecrasement qui relarguerai les polluants stockés par le filtre dans le circuit. Ils possèdent parfois un indicateur de colmatage (manomètre mesurant la Δp). Figure 20 Filtre retour (Source mpfiltri) Les filtres placés au refoulement (en ligne) Emplacement Après la pompe (ou avant une portion de circuit). Avantages La perte de charge est indifférente La maille du filtre peut être très fine Tout le circuit est protégé Inconvénients La pompe n’est pas protégée Les parois des filtres doivent supporter la pression du circuit, ce qui donne des filtres volumineux, lourds et chers. Finesse de filtration