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01/02/2019 - PIERRE BOYDENS

hydraulica

LA BASE DE L'HYDRAULIQUE

Les caracteristiques des huiles hydrauliques sont cruciales

Ce qu'est ou devrait être l'hydraulique? On considère, d'une part, l'hydraulique comme 'le plus archaïque qui soit', mais il y a, d'autre part, aussi un sentiment 'si nous l'avions su plus tôt …'. L'hydraulique existe depuis plus de deux mille ans, mais les systèmes hydrauliques efficaces seulement depuis l'application d'huile comme fluide de pression et l'évolution des techniques de finition; sans oublier le développement rapide de l'électronique.

FLUIDE DE PRESSION

Huile et eau

Après avoir, entre autres, examiné dans la première partie les avantages et les inconvénients de l'hydraulique, nous nous concentrons dans cette deuxième partie sur les fluides hydrauliques et la conception de systèmes hydrauliques. En guise de fluide de pression, on utilise principalement des huiles minérales (voir tableau 1 + plus loin), mais notons quel'hydro-hydraulique n'est certainement pas mise au rebut. Les restrictions sont toutefois nombreuses: rouille – gel – faible viscosité – teneur en sel – évaporation aisée – pas de lubrification – corrosion – plage de températures limitée, … Cela ne signifie pas que l'eau n'est utilisée nulle part comme fluide de pression. Au contraire: le prix très bas et l'ajout de certains additifs réduisant surtout les effets de la rouille et du gel rendent l'utilisation d''eau' très intéressante pour les très grosses installations fixes. L'eau est, en outre, le 'fluide le plus difficilement inflammable' par excellence.

Tabel 1

L'utilisation d'un fluide comme vecteur d'énergie est, comme nous l'avons dit, une technique très ancienne. Les eaux naturelles, les mers, les océans et les cours d'eau sont jusqu'ici des moyens de transport – également pour l'énergie – importants et relativement bon marché, bien que pas les plus rapides. Les dénivelés, les courants et les marées sont des données naturelles pour la conversion d'énergie. Dans l'hydraulique moderne, il ne s'agit pas de millions de mètres cubes, mais d'autant de millimètres; pas de quelques centaines de millibars, mais de centaines de bars, pas d'heures, ni de jours, mais de millisecondes et de minutes.

FLUIDE CONVERTISSEUR D'ENERGIE

L'énergie est le produit de force et de mouvement. La conversion d'énergie consiste à adapter un paramètre ou les deux pour le but visé. Un fluide est aussi indéformable que l'acier et à la fois infiniment plus souple. Il se déforme selon son enveloppe et peut être réparti de manière illimitée pour remplir différentes tâches distinctes et pour exécuter ensuite une nouvelle tâche, à nouveau rassemblé. Le fluide hydraulique peut être considéré comme le composant le plus important d'un circuit hydraulique. Il relie, en effet, tous les autres composants.

 

Tâches

Utiliser un fluide comme convertisseur d'énergie signifie aussi qu'on lui attribue un certain nombre de tâches. En principe, le fluide de pression doit remplir cinq tâches:

  1. Transfert d'énergie
    Le fluide doit pouvoir circuler avec le moins de résistance possible dans les conduites et les composants, et à la fois être le plus incompressible possible afin de pouvoir transmettre rapidement les changements de paramètres.
  2. Lubrification
    Qui dit éléments mobiles, dit friction. L'usure est une perte de force par friction. Elle est limitée par la lubrification et de plus, une lubrification restant optimale en cas de charge, de vitesses et de température variables.
  3. Evacuation de l'usure et de la chaleur
    Les pertes d'énergie par friction – du fluide comme des composants – doivent pouvoir être éliminées pour éviter une accumulation locale.
  4. Protection contre la corrosion des surfaces en métal
  5. Etanchéité
    Souvent, le fluide est le seul étanchement contre la pression dans un composant. En règle générale, il n'y a pas de joint entre le piston et le clapet pour minimiser la fuite dans le passage de la haute à la basse pression. Le jeu et la viscosité de l'huile déterminent la fuite.

HUILES HYDRAULIQUES

Bien que l'eau soit moins chère que l'huile et présente une viscosité indépendante de la température, on utilise généralement de l'huile. Ses avantages par rapport à l'eau sont, par exemple:

  • risque de corrosion faible ou nul;
  • excellent lubrifiant;
  • viscosité bien plus élevée que celle de l'eau (pertes par fuite bien plus réduites);
  • échelle de température plus large.

En règle générale, des huiles minérales sont utilisées pour les installations industrielles ordinaires. On distingue deux groupes majeurs d'huiles minérales. Il y a, d'une part, les huiles naphténiques, provenant des sols pétroliers les plus anciens. Elles se distinguent en ne produisant pas de paraffine cristalline lors du refroidissement, et par leur densité un peu plus élevée. Il y a, d'autre part, les huiles de paraffine, extraites de sols pétroliers plus jeunes. Elles ont une densité moindre et une teneur plus élevée en paraffines cristallines. En règle générale, la réalité est un mélange des deux types, même si la plupart des huiles sont extraites des sédiments les plus récents et traitées par le raffinage et avec des inhibiteurs contre la production de paraffine.

chemische structuur van minerale oliënPropriétés

Pour satisfaire aux exigences ou tâches précitées, les huiles doivent posséder certaines propriétés, comme:

  • lutter contre la formation de sédiments et dépôts (vieillissement);
  • pas de formation de mousse;
  • rester stables (pas de changement chimique);
  • garder le même degré de fluidité à des températures et pressions variables;
  • être hydrophobes;
  • ne pas attaquer les joints;
  • avoir une grande résistance de film, car elles sont parfois le seul étanchement contre la pression;
  • faible tension de vapeur et point d'ébullition élevé (cavitation!);
  • être aérophobes;
  • avoir un point de solidification bas.

Caractéristiques physiques

Examinons ensuite les principales caractéristiques physiques de ces huiles: la densité, la compressibilité et la viscosité.

densiteit
Densité de l'huile hydraulique en fonction de la température

La densité est le rapport entre la masse et le volume, avec comme formule ρ = m/V. La densité est relativement élevée (0,91 à 0,95 kg/m³) pour les huiles minérales naphténiques et relativement basse pour les huiles à base de paraffine. La densité varie avec la pression comme la température; voir aussi la figure ci-dessus. La densité de l'huile hydraulique est généralement indiquée à 15 °C et 1 bar. Pour des calculs simples, on peut prendre une valeur moyenne de 900 kg/m³.


Un exemple de l'effet de la température: un ascenseur hydraulique est arrêté le soir à l'arrêt supérieur; la température de l'huile est alors de 50 °C. Le lendemain matin, le volume d'huile a refroidi à 20 °C. La densité passe ici de 862,5 à 880 kg/m³. Le vérin de l'ascenseur a un volume de 100 l, un trou de 160, la barre mesure 100 et la longueur de course est de 5 m.

(880 - 862,5) / 880 = 0,02 ou 2%, ce qui correspond à une baisse de 25,46 cm durant la nuit. Attention, il n'y a pas de fuite, mais une contraction de l'huile.

samendrukbaarheid

Compressibilité: à l'école, au cours de physique, on nous a appris que les liquides n'étaient PAS compressibles; les gaz bien ... L'hydraulique est, hasard ou non, la preuve que l'huile est BIEN compressible, avec ce qui s'ensuit. Il y a une proportionnalité entre le changement de pression et le changement de volume allant avec.

Le tableau 2 montre la tendance du coeffi-cient β par rapport au changement de pression.

volumeveranderingen

Si une pression élevée n'est pas demandée, les changements de volume dans le tableau 3 sont acceptables à 100 bars.

Un autre exemple: si de l'huile à une pression atmosphérique dans un volume de 400 l est amenée à une pression de 250 bars, le changement de volume est de: ΔV = Vdébut · 0,7% · p/100 = 400 · (0,7/100) · (250/100) = 400 · 0,007 · 2,5 = 7 litres.

 

La viscosité, ou degré de fluidité, d'un liquide est la propriété de ce liquide consistant à opposer une résistance au glissement dans le sens opposé de couches inférieures. La viscosité est donc un indice du frottement interne de liquides. Pour l'hydraulique, la viscosité est la caractéristique la plus importante pour la distinction des huiles. Dans le cas de l'huile, la viscosité dépend fortement de la température. D'où l'importance pour le bon fonctionnement de systèmes hydrauliques de bien prêter attention à cette propriété. La viscosité est exprimée de deux manières:

  • la viscosité dynamique (η), ou viscosité absolue, se définit comme la force nécessaire pour donner à une couche de liquide une certaine accélération par rapport à une autre couche. Le rapport est exprimé en: τ = η δv/δz, où δv/δz est le gradient de vitesse, τ la tension de cisaillement et η la viscosité dynamique. L'unité de la viscosité dynamique est le Pa · s (N · s · m²).
  • la viscosité cinématique (ν) est la division de la viscosité dynamique (η) par la densité (ρ): ν = η/ρ.

Lors de l'utilisation de la viscosité dans des calculs, on préfère la viscosité cinématique, entre autres parce que la densité est déjà comprise dedans. L'unité de viscosité cinématique actuellement la plus utilisée est le 'Stokes' ou 'centiStokes'. Le rapport par rapport à la seule unité officielle est:

1 m²/s = 104 St (Stokes)

= 106 cSt

= 106 mm²/s.

CONCEPTION D'UN SYSTEME HYDRAULIQUE

Température

Le comportement viscosité-température (VT) d'une huile hydraulique est une donnée essentielle pour la conception d'un système. Il est représenté sur le diagramme VT. Ici, l'abscisse est le logarithme de la température absolue et l'ordonnée est le log-log de la viscosité cinématique. Ce choix de système de coordonnées est dicté par la représentation rectiligne de la relation VT. Cette ligne droite est une représentation suffisamment précise, mais pas tout à fait exacte. La droite de 40 °C à 100 °C est la seule correcte; une extrapolation n'est possible que moyennant l'autorisation du fournisseur d'huile (voir encadré).

Pression

La viscosité dépend également de la pression à laquelle l'huile est soumise. Cette réaction à la pression évolue de manière exponentielle. Il ne faut donc pas sous-estimer non plus l'influence de la pression sur la viscosité. Une augmentation de Δp = 200 bars donne une augmentation de la η = 0,034 Pa · s à 0,048 Pa · s à 50 °C ou une augmentation de 41%. En cas d'augmentation de pression de 0 à 350 bars, on note même une augmentation de 94%.

Indice de viscosité

Comme nous l'avons dit plus haut, les huiles deviennent liquides légères, lorsqu'elles sont chauffées. La mesure dans laquelle cela se produit, est l'indice de viscosité. Plus cette mesure est petite, plus le chiffre VI est élevé. Les huiles de qualité ont des valeurs VI élevées. Une valeur VI élevée implique une dépendance moindre par rapport aux changements de température et est donc souhaitable. La réaction à la température est, en effet, le principal inconvénient d'un système hydraulique. C'est pourquoi on tente d'augmenter la valeur VI en ajoutant des améliorateurs de VI. Il s'agit généralement de chaînes de polymères, réduisant le niveau de réaction à la température. Bien que l'indice de viscosité ne soit pas le reflet exact du comportement VT d'une huile, il est encore beaucoup utilisé comme moyen pour comparer les huiles. Une huile avec une valeur VI élevée a une droite plus horizontale dans le diagramme VT. Une huile avec un VI = 320 dépend moins des changements de température qu'une huile avec un VI = 80. 

druk viscositeit
Il ne faut pas sous-estimer l'influence de la pression sur la viscosité: sur le graphique, on voit clairement que plus la pression est élevée, plus l'huile devient 'liquide'

Utilisation du diagramme VT lors du choix d'une huile hydraulique

  • Déterminez le composant le plus sensible à la viscosité du système (par exemple la pompe).
  • Indiquez les limites depuis les données techniques de la pompe: p.ex. min. 13 cSt, max. 54 cSt, démarrage à froid max. 860 cSt;plage recommandée: min. 32 cSt – max. 48 cSt.
  • Indiquez les limites de température sur la base des conditions de travail: p.ex. min. 30 °C – max. 60 °C et démarrage à froid: 0 °C.
  • L'huile idéale serait celle pour laquelle la ligne VT est la diagonale du rectangle et relie le point (+30 °C, 48 mm²/s) au point (+60 °C, 32 mm²/s).
  • Comparez cette diagonale aux lignes type des huiles à viscosité standard (ISO VG 100, 68, 46, 32, 22).
  • La ligne correspondant le mieux à cette diagonale est le bon choix.
  • La diagonale (+30 °C, 54 mm²/s) (+60 °C, 13 mm²/s) peut être le second choix, selon les conditions de service.

Remarques:

  1. Une viscosité excessive entraîne une cavitation, l''ennemi juré' des pompes. Une huile trop épaisse provoque d'importantes pertes de conduites. 
  2. Une viscosité insuffisante génère une fuite interne trop importante et une lubrification insuffisante, et donc une usure excessive.
  3. N'oubliez pas l'influence sur la viscosité d'autres paramètres que la température, comme la pression.