Fonds de Formation professionnelle de la Construction. Techniques appliquées. hydraulique

Transcription

1 Fonds de Formation professionnelle de la Construction CONDUCTEURS D ENGins DE ChanTIER Techniques appliquées hydraulique

2 2

3 Techniques APPLiquées Avant-propos Mise en perspective Plusieurs ouvrages ont déjà été consacrés aux engins de chantier, mais ils sont pour la plupart obsolètes. Ceci explique la demande énorme d'un manuel moderne, intégrant également les nouvelles techniques. Le Manuel modulaire Conducteurs d engins de chantier a été rédigé à la demande du fvb-ffc Constructiv (Fonds de Formation professionnelle de la Construction). Le service Métiers mécanisés (MECA) du ffc a mis sur pied l équipe de rédaction en collaboration avec différents opérateurs de formation. Le présent manuel est constitué de plusieurs volumes et a aussi été subdivisé en modules. La structure et le contenu ont été adaptés et complétés avec les nouvelles techniques de l'univers de la construction et des engins de chantier. Dans l'ouvrage de référence, le texte et les illustrations ont été alternés autant que possible, et ce, afin de proposer au lecteur un matériel didactique plus visuel. En vue de bien coller à la réalité et aux principes de l'apprentissage des compétences, nous avons opté pour une description pragmatique, assortie d'exercices pratiques appropriés. Indépendant du type de formation Le manuel a été conçu à la portée de différents groupes cibles. Notre objectif est d'organiser une formation permanente: le présent manuel s'adresse donc aussi bien à un élève conducteur d'engins de chantier qu'à un demandeur d'emploi dans le secteur de la construction ou à un ouvrier d'une entreprise de construction. Une approche intégrée La sécurité, la santé et l'environnement sont des thèmes qui ont été privilégiés durant la rédaction. Pour un conducteur d'engins de chantier, il est primordial de ne pas les négliger et de les garder bien présents à l'esprit. Dans toute la mesure du possible, ces thèmes ont été intégrés dans le présent manuel en vue d'optimiser les possibilités d'application. Robert Vertenueil Président du fvb-ffc Constructiv 3

4 Techniques APPLiquées SOMMAIRE 1. Introduction Qu'est-ce que l'? Applications Avantages et inconvénients Fonctionnement général transfert d'énergie dans des systèmes s Pression et débit la structure d'une installation Le groupe de pompage Le groupe de commande Le groupe de conditionnement Le groupe moteur Système à centre ouvert Système à centre fermé Schéma fonctionnel Aperçu des symboles graphiques les plus courants Huiles s Exigences posées aux fluides s L'indice de viscosité Classification des fluides s Huile minérale Fluides difficilement inflammables Fluides biodégradables Durée de vie d'une huile Réservoir d'huile Refroidisseurs Objectif Types Différences entre l'eau et l'air comme agent réfrigérant Filtres Objectif Types de filtres Filtre d'aspiration Filtre de refoulement Filtre de retour Points importants

5 Techniques APPLiquées SOMMAIRE 9. autres pièces d'un système Organes de commande et de régulation Méthodes de commande Pompes Le principe du refoulement Types de pompes Moteurs s Fonctionnement Moteur à pistons radiaux Vérins s Accumulateurs Types Fonctionnement Conduites et flexibles s Tuyaux Flexibles Raccords de conduites Coupleurs rapides Détection de charge Cavitation Entretien Points importants lors de l'exécution d'un entretien Remplissage d'un réservoir avec purge Remplissage d'un réservoir dans un système sous pression Purge d'une installation Niveau d'huile Quand vidanger l'huile? Conduites d'huile de fuite Filtres Nettoyage des filtres Pompes et moteurs Pannes Pannes de la pompe Rendement nul ou insuffisant de la pompe Pompe trop bruyante échauffement excessif de la pompe et de l'huile Pannes du moteur Le moteur ne tourne pas Le moteur tourne mal ou trop lentement Pannes d'entraînements s Bruit La machine ne veut fonctionner que dans un seul sens échauffement excessif de la partie

6 fvb ffc Constructiv, Bruxelles, 2012 Tous droits de reproduction, de traduction et d adaptation, sous quelque forme que ce soit, réservés pour tous les pays. F008CE - version août D/2011/1698/23 Contact Pour adresser vos observations, questions et suggestions, contactez: fvb ffc Constructiv Rue Royale 132/ Bruxelles tél.: Fax: site web: ffc.constructiv.be 6

7 1. introduction Techniques APPLiquées 1. INTRODUCTION 1.1. Qu'est-ce que l'? Le mot "" vient du grec : hydro = eau aulos = tuyaux L' est le transfert et la maîtrise de forces et de mouvements via des fluides circulant à des vitesses limitées. L' est une technique d'entraînement, de commande et de régulation qui est devenue incontournable dans la technique moderne Applications L' intervient dans pratiquement tous les domaines spécialisés: construction mécanique générale, technologie automobile, technique agricole, construction navale, Nous trouvons principalement de petites applications s sur les chantiers. Elles sont souvent mises sous pression à l'aide d'une pompe à main. Les engins de chantier font surtout appel à l'énergie pour: des outils comme des pelles, des dispositifs de levage, l'entraînement de chenilles, les essieux à servodirection. 7

8 Techniques APPLiquées 1. introduction 1.3. Avantages et inconvénients Avantages Très grandes puissances possibles Facilité d'utilisation Protection contre les surcharges Sécurité d'exploitation Vitesses et forces régulables en continu Précision de positionnement Autolubrification Inconvénients Installation coûteuse Lignes de retour nécessaires Perte d'énergie résultant de l'échauffement de l'huile Fuites Risque d'incendie Mouvements saccadés résultant d'infiltrations d'air Sensibilité à la saleté 8

9 2. fonctionnement général Techniques APPLiquées 2. Fonctionnement général 2.1. Transfert d'énergie dans des systèmes s Un moteur électrique ou thermique entraîne une pompe. La pompe transforme l'énergie mécanique en énergie. Le fluide transfère l'énergie au moteur, où elle est transformée en énergie mécanique. Le moteur commande un outil. Dans la pratique, des huiles s minérales ou des huiles synthétiques sont souvent employées comme fluide. Dans le cas d'entraînements hydrostatiques, l'énergie est principalement présente dans le fluide sous forme de pression. Info "Hydrostatique" signifie faible débit à haute pression. "Hydrodynamique" signifie haut débit à basse pression. La vitesse des particules d'huile est faible. Cela signifie que l'énergie cinétique du fluide est négligeable par rapport à l'énergie de pression. Les entraînements hydrostatiques fonctionnent en général sous hautes pressions. Les basses pressions et les hautes pressions sont définies à l'aide du tableau ci-dessous. Systèmes à basse pression 0 à 10 MPa (100 bars) Systèmes à moyenne pression Systèmes à moyenne - haute pression Systèmes à haute pression 10 à 25 MPa ( bars) 25 à 35 MPa ( bars) 35 à 70 MPa ( bars) 9

10 Techniques APPLiquées 2. fonctionnement général 2.2. Pression et débit Les systèmes s fonctionnent selon la loi de Pascal. Celle-ci stipule que : Une pression exercée sur un fluide au repos se propage uniformément dans toutes les directions dans un récipient fermé. Deux vérins (pistons) se trouvent dans un appareil. Les pistons se déplacent d'avant en arrière dans des tubes. Les pistons ne sont pas de même taille. La mise en œuvre d'une petite force permet d'exercer une grande pression. Nous appuyons sur le piston (2) avec la force A. Le grand piston coulisse un peu. Le petit piston coulisse beaucoup. La force B est nettement plus grande que la force A. La pression exercée dans un système est déterminée par la résistance rencontrée par l'huile. La vitesse de déplacement de moteurs et vérins s est déterminée, outre par les dimensions de ces composants, par le volume d'huile transporté par unité de temps : c'est le débit volumétrique. Le débit volumétrique est souvent produit par une pompe du système et s'indique généralement en litres par minute (l/min). La puissance est la puissance qui est transférée par le fluide. C'est la différence de pression par rapport à un composant ou une conduite. La puissance absorbée ou produite est proportionnelle à la différence de pression. Des pertes sont toujours enregistrées lors de la transformation de l'énergie. Par conséquent, la puissance nécessaire à l'entraînement d'une pompe est supérieure à la puissance. 10

11 2. fonctionnement général Techniques APPLiquées Présentation du fonctionnement d'un cric Pendant le mouvement ascendant du levier de pompage, l'huile est aspirée dans la pompe à vérin. Le mouvement d'aspiration libère la petite bille et bloque la grande bille. Pendant le mouvement descendant du levier de pompage, l'huile est pompée dans le vérin principal. La tige du piston remonte. La petite bille obture le passage en raison de l'huile comprimée vers le bas, la grande bille est libérée. L'huile en rouge est sous pression. 11

12 Techniques APPLiquées 2. fonctionnement général Suite. Grande bille de fermeture Petite bille de fermeture Le piston monte et descend. La position du piston monte en fonction du nombre de mouvements exécutés à la main. 12

13 2. fonctionnement général Techniques APPLiquées Le dispositif d'ouverture s'ouvre. Le poids propre de la tige du piston et la charge éventuelle font retomber la tige du piston. Nous sommes revenus au point de départ. 13

14 14

15 3. La structure d'une installation Techniques APPLiquées 3. La structure d'une installation La figure ci-dessous présente un schéma d'installation d'un système simple, formé de différents composants ayant chacun une fonction spécifique. Les composants sont répartis en groupes : le groupe de pompage (moteur), le groupe de commande, le groupe de conditionnement, le groupe récepteur. La pompe (2), entraînée par un moteur électrique (1), aspire de l'huile du réservoir et la comprime dans le système. Le clapet de surpression (4) - aussi appelé clapet de sécurité - limite la pression dans le système à la pression maximale admissible. Le filtre (5) nettoie l'huile qui pénètre dans le système. En actionnant le distributeur à tiroir (7), le vérin (8) entre ou sort en fonction du sens de commande. Enfin, l'huile qui reflue du distributeur à tiroir (7) vers le réservoir (3) est d'abord refroidie dans le refroidisseur (6). 15

16 Techniques APPLiquées 3. La structure d'une installation 3.1. Le groupe de pompage Le groupe de pompage constitue la source d'énergie du système. Le groupe de pompage comprend : le moteur d'entraînement de la pompe, la pompe, le réservoir, les accumulateurs éventuels Le groupe de commande Le groupe de commande possède une fonction de commande et de régulation ; il s'assure que le fluide est envoyé au bon endroit, dans la bonne quantité et à la bonne pression. Ce groupe comprend : les distributeurs (organes de commande), les clapets (organes de régulation). 16

17 3. La structure d'une installation Techniques APPLiquées 3.3. Le groupe de conditionnement Le groupe de conditionnement maintient le fluide et l'installation dans un état optimal. Ce groupe comprend : les filtres, les refroidisseurs, les réchauffeurs, les régulateurs de débit et de pression : ils peuvent être inclus dans ce groupe selon l'application. Ils apparaissent aussi bien dans le groupe de commande que dans le groupe de conditionnement Le groupe récepteur Le groupe récepteurs transforme l'énergie en énergie mécanique et commande la charge. Ce groupe comprend : les moteurs s, les vérins, les moteurs réversibles. 17

18 Techniques APPLiquées 3. La structure d'une installation 3.5. Système à centre ouvert Dans un système () ouvert, la pompe aspire de l'huile à partir du réservoir. Cette huile est comprimée dans le système et est renvoyée dans le réservoir à partir du consommateur, via la ligne de retour système à centre fermé Dans le système "à centre fermé", la ligne de retour du consommateur est reliée directement au raccord du piston de la pompe. Ce système est protégé contre les surcharges par deux clapets de surpression. Ces clapets peuvent en outre servir de valves de freinage pour le moteur. Applications : comme transmission pour des engins de terrassement, outils de grue et de machines agricoles, traction par treuil sur des grues, etc. 18

19 4. Schéma fonctionnel Techniques APPLiquées 4. Schéma fonctionnel Le schéma d'installation ne donne pas beaucoup d'informations sur le fonctionnement du système et des différents composants. Un symbole graphique a été défini pour chaque composant. Ces symboles représentent seulement la fonction du composant, pas son fonctionnement. Le schéma formé de symboles est appelé schéma fonctionnel. Il est très important de pouvoir lire un schéma fonctionnel lors de l'exécution d'un entretien ainsi que lors du diagnostic et de la réparation de pannes. La figure ci-dessous présente le schéma fonctionnel du schéma d'installation de la page précédente. Nous retrouvons aussi cette répartition en groupes dans les schémas s. Dans le bas du schéma, vous observez un groupe de pompage et, à côté, le groupe de conditionnement. Le groupe de commande est représenté au-dessus, le plus souvent au milieu du schéma. Enfin, le groupe récepteur est en haut. 19

20 Techniques APPLiquées 4. Schéma fonctionnel 4.1. Aperçu des symboles graphiques les plus courants 20

21 5. Huiles s Techniques APPLiquées 5. Huiles s Il est essentiel de choisir le fluide adéquat pour garantir le bon fonctionnement d'un système. La principale tâche du fluide est le transport de l'énergie. L'huile assure également : la lubrification des pièces mobiles, la protection anticorrosion des pièces métalliques, l'évacuation des impuretés, la dissipation de la chaleur Exigences posées aux fluides s Une huile doit présenter les propriétés suivantes : incompressibilité, viscosité (épaisseur) correcte à basses et hautes températures, longue durée de vie, bonne résistance au vieillissement, protection anticorrosion, propriétés anti-usure, bon pouvoir de séparation de l'air et de l'eau, bonne filtrabilité, les joints d'étanchéité ne peuvent pas être attaqués. L'huile à employer dans un système est prescrite par le fabricant de l'installation qui l'a généralement déterminée en concertation avec un fabricant d'huiles. 21

22 Techniques APPLiquées 5. Huiles s 5.2. L'indice de viscosité La viscosité d'un fluide dépend : de la température du fluide : plus la température est élevée, plus la viscosité est faible ; de la pression dans le fluide : plus la pression est élevée, plus la viscosité est élevée. Des promoteurs d'indice de viscosité (additifs) sont ajoutés afin de rendre la viscosité de l'huile moins sensible à la température. L'indice de viscosité s'exprime en VI, l'indice DIN est parfois aussi employé. 22

23 5. Huiles s Techniques APPLiquées 5.3. Classification des fluides s Les fluides s sont répartis en trois groupes : huile minérale Elle est obtenue à partir de pétrole brut. Des additifs ou diluants sont ajoutés. Ce sont des substances qui donnent à l'huile les propriétés souhaitées ou qui renforcent les propriétés favorables existantes, p. ex. : une meilleure protection contre l'oxydation, un meilleur pouvoir de séparation de l'air, une meilleure résistance à l'usure. L'huile minérale convient pour tous les systèmes s, des systèmes peu sollicités aux systèmes très fortement sollicités Fluides difficilement inflammables Pour des raisons de sécurité, ces fluides sont employés dans des lieux caractérisés par un risque d'explosion Fluides biodégradables Ces huiles écologiques s'utilisent de plus en plus comme fluides s. Avantage Indice de viscosité très élevé par rapport à une huile minérale Inconvénients Faible stabilité à la chaleur et au vieillissement Certains types ne sont pas miscibles avec des huiles minérales. 23

24 Techniques APPLiquées 5. Huiles s 5.4. Durée de vie d'une huile La durée de vie d'une huile dépend des conditions de service dans lesquelle il doit fonctionner. Certains diluants agissent plus rapidement quand l'huile fonctionne dans des conditions difficiles. Par conditions difficiles, il faut entendre : des systèmes sollicités au maximum, des systèmes fonctionnant à haute ou basse température, un encrassement par des poussières, des particules métalliques et de l'eau. Le degré d'encrassement dépend aussi de la qualité du système de filtration. Par conséquent, la position, la qualité et la finesse des filtres mis en œuvre dans un système sont extrêmement importantes. Une analyse de l'huile peut permettre de vérifier si un fluide ou une huile satisfait encore aux exigences posées. 24

25 6. Réservoir d'huile Techniques APPLiquées 6. Réservoir d'huile Le réservoir est un récipient en acier ou en plastique, d'où part une ligne d'aspiration via un filtre d'aspiration. Le réservoir sert à : tenir une réserve d'huile "à disposition", collecter les impuretés. Ce récipient contient un filtre destiné à retenir un maximum d'impuretés. La ligne de retour doit toujours se trouver sous le niveau de fluide ; sinon, de la mousse peut se former très facilement. Un filtre à air garantit un apport et une évacuation rapides d'air extérieur pur. Symbole graphique L'appoint et la purge peuvent se dérouler sans problème. La figure ci-dessus montre un réservoir sur lequel la pompe est installée dans le réservoir et le moteur électrique est fixé sur le couvercle du réservoir. Le regard de niveau d'huile se trouve sur la face avant du réservoir. Attention Point important : Lors de la mesure du niveau d'huile, on droit d'abord placer les cylindres dans la bonne position. cylindre entré cylindre sorti 25

26 26

27 7. Refroidisseurs Techniques APPLiquées 7. Refroidisseurs Le rendement d'une installation est compris entre 60 et 85 %, avec comme effet un grand dégagement de chaleur. Cette chaleur est absorbée par l'huile qui retransmet la chaleur : aux composants, aux lignes, au réservoir, 7.1. Objectif Le refroidissement est nécessaire pour éviter un échauffement excessif de l'huile. De l'huile chaude se fluidifie, ne lubrifie pas bien et n'a plus un bon pouvoir étanche. Si la température dépasse la valeur admissible, le fonctionnement de l'installation peut se dégrader. Des refroidisseurs d'huile sont utilisés pour éviter ces problèmes. Ils limitent la température de l'huile dans la ligne de retour via une régulation thermostatique. 27

28 Techniques APPLiquées 7. Refroidisseurs 7.2. Types Les refroidisseurs existent sous différentes formes et peuvent fonctionner à l'air ou à l'eau. Refroidisseur d'huile à air Refroidisseur d'huile par eau 28

29 7. Refroidisseurs Techniques APPLiquées 7.3. Différences entre l'eau et l'air comme agent réfrigérant Eau : L'eau constitue un bon agent réfrigérant capable d'absorber une grande quantité de chaleur. Le refroidisseur est peu encombrant. Le refroidissement par eau est silencieux. Un bon traitement antigel est nécessaire l'hiver. Les fuites d'eau peuvent avoir de graves conséquences. Air : Le pouvoir d'absorption de chaleur de l'air est nettement inférieur à celui de l'eau. Un radiateur coûteux est nécessaire. Le bruit de fonctionnement est élevé. L'air est moins adapté aux hautes températures. L'air ne pose pas de problème de gel. Les fuites d'air ne posent habituellement aucun problème. 29

30 30

31 8. Filtres Techniques APPLiquées 8. Filtres 8.1. Objectif Le filtre a pour tâche de nettoyer l'huile. La saleté est le pire ennemi du système. En minimisant le nombre de particules de saleté, il est possible d'allonger considérablement la durée de vie de l'installation. Origines des impuretés : pendant l'assemblage de l'installation p. ex. copeaux de métal, tailles et poussières pendant le remplissage / l'appoint du réservoir p. ex. engins de terrassement fonctionnant dans des environnements poussiéreux par la ventilation p. ex. si le niveau d'huile baisse, le réservoir aspire de l'air. par une usure normale des composants, des joints toriques et des joints d'étanchéité par une usure anormale des composants, des joints toriques et des joints d'étanchéité 31

32 Techniques APPLiquées 8. Filtres 8.2. Types de filtres Selon la position dans le système, on distingue : Filtre d'aspiration 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 Filtre de refoulement Le filtre de refoulement ou filtre haute pression est placé dans la partie haute pression (conduite de refoulement) du système. Ce filtre, qui peut avoir un maillage très fin, retient toutes les impuretés sortant de la pompe. Il est principalement placé dans des installations comptant un grand nombre de clapets et est nécessaire dans des servosystèmes. Inconvénient La construction est délicate et onéreuse, car le corps de filtre doit résister aux hautes pressions du système. 32

33 8. Filtres Techniques APPLiquées Filtre de retour 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. Dans un système haute pression avec petit réservoir, comme sur de nombreux engins de génie civil, un filtre de retour est nécessaire. En règle générale, le filtre de retour contient un filtre magnétique de manière à retenir de fines particules métalliques. Les filtres de refoulement et de retour sont souvent équipés d'un "by-pass" (dispositif de dérivation). La différence de pression par rapport au filtre est plus grande quand la cartouche filtrante s'encrasse. Conséquence La cartouche filtrante se comprime. La pression dans le corps de filtre est trop élevée. But du by-pass Forcer l'huile à contourner la cartouche filtrante au-delà d'une certaine différence de pression. Filtres avec indicateur d'encrassement Ces filtres donnent une idée du taux de colmatage à l'aide d'un indicateur. L'indicateur signale : si le filtre est propre ("clean"), si le filtre doit être nettoyé ("needs cleaning"), si le filtre doit être contourné ("by-pass"). L'indicateur ne doit pas toujours être une flèche, il peut aussi s'agir : d'un contact à pression, d'un témoin lumineux, d'un klaxon. 33

34 Techniques APPLiquées 8. Filtres 8.3. Points importants Les filtres doivent être remplacés à temps. Un filtre colmaté ne filtre plus. Le fabricant de l'installation indique, dans ses prescriptions de maintenance, les intervalles de remplacement, généralement exprimés en heures de service. Pour garantir le bon fonctionnement de l'installation, nous devons prendre en compte quelques points importants. Veiller à remplacer la cartouche à temps. Utiliser des manchons, des flexibles, des entonnoirs, etc. propres. Observer soigneusement les filtres encrassés, car la nature des impuretés peut révéler un problème dans l'installation. P. ex. des déchets de caoutchouc = bris d'un joint d'étanchéité particules métalliques = usure excessive Toujours effectuer l'appoint d'huile avec une huile neuve. Bien purger le filtre et vérifier que tous les écrous et boulons sont bien serrés. Ne pas faire tourner la pompe avant d'avoir bien replacé tous les filtres. Manipuler soigneusement les filtres pour éviter de les endommager. 34

35 9. Autres pièces d'un système Techniques APPLiquées 9. Autres pièces d'un système 9.1. Organes de commande et de régulation Ils sont répartis en cinq groupes : a. Clapets pilotes et distributeurs b. Clapets anti-retour, sélecteurs de circuit et vannes de détente c. Régulateurs de pression d. Régulateurs de débit e. Vannes de fermeture Les concepts "distributeur", "clapet" et "vanne" sont souvent employés indistinctement. En, on parle de "distributeurs" ou de "clapets" tandis qu'on utilise plus volontiers le mot "vanne" en pneumatique. Les distributeurs sont des dispositifs permettant de faire circuler l'huile sous pression à partir et à destination d'appareils en tous genres, en général des vérins ou des moteurs. Les dispositifs de régulation sont appelés régulateurs ou clapets - comme les clapets de sécurité, les régulateurs de débit, les clapets anti-retour, etc. - même s'ils sont souvent conçus comme des distributeurs. 35

36 Techniques APPLiquées 9. Autres pièces d'un système Méthodes de commande Distributeurs Tiroir à commande électronique Des distributeurs peuvent être commandés par : force musculaire, p. ex. bouton-poussoir, levier, pédale force mécanique, p. ex. came, ressort force électrique force pneumatique une combinaison des forces force mentionnées } Le clapet de surpression Un système est conçu pour supporter une pression de service maximale déterminée. Un dépassement de cette pression peut provoquer de graves dégâts et mettre en péril la sécurité du système. Clapet de surpression régulable Si la pression dans le système excède la pression du ressort sur la bille, l'huile est évacuée directement dans le réservoir via le clapet Pompes La pompe est le cœur du système. Presque toutes les pompes employées en fonctionnent selon le principe du refoulement Le principe du refoulement Pompes qui, à chaque course, tour ou cycle transportent une certaine quantité d'huile. Pendant son trajet dans la pompe, l'huile est emprisonnée dans une ou plusieurs petites cavités et est déplacée du côté aspiration vers le côté refoulement. 36

37 9. Autres pièces d'un système Techniques APPLiquées Une fois arrivée du côté refoulement, l'huile est poussée hors de la cavité sans pouvoir refluer. La pompe "pousse" l'huile. Si cette huile pouvait refluer vers le réservoir, aucune pression ne serait générée. Une pression est établie si une résistance est toutefois placée dans la conduite. Une pompe ne fournit pas de pression, mais dibit. La pression est produite quand le débit de fluide est entravé. On dit aussi qu'une pompe convertit une énergie mécanique en énergie Types de pompes Une des pompes les plus connues est la pompe à main, nous connaissons ces pompes par de petits appareils comme un cric, une grue d'atelier à main ("girafe"), de petits outils s, etc. Le fonctionnement de ce type de pompe a déjà été expliqué en détail au chapitre 2. Dans le cas d'une pompe ou d'un moteur, le raccord de fuite le plus haut placé doit toujours être utilisé pour que le carter de pompe reste rempli d'huile, ceci en liaison avec la lubrification et le refroidissement. Selon leur exécution, les pompes peuvent être réparties dans les catégories suivantes : Pompes à engrenages Pompes à palettes Pompes à piston 37

38 Techniques APPLiquées 9. Autres pièces d'un système Pompes à engrenages 1. La pompe à engrenages extérieurs Fonctionnement L'huile est transportée entre les dents sur la circonférence extérieure. Avantages Volume de refoulement fixe Pas d'usure Pompe simple et bon marché Inconvénients Surpressions (coups de bélier) Bruit Applications Technologie automobile Construction mécanique générale Hydraulique agricole 2. La pompe à engrenages intérieurs Fonctionnement Les dents se désengrènent en a, la pression ainsi créée aspire de l'huile dans le réservoir. Les dents s'engrènent en b et l'huile est refoulée dans la conduite de refoulement. La pièce en forme de croissant assure la séparation entre le côté refoulement et le côté aspiration. 1. Engrenage 2. Rondelle à crans intérieurs 3. Pièce en forme de croissant 4. Carter de pompe Avantages Rendement uniforme Pompe peu bruyante Applications Moteurs avec montage sur vilebrequin 38

39 9. Autres pièces d'un système Techniques APPLiquées La pompe à palettes Fonctionnement Le rotor entraîné de la pompe est excentré dans le carter. Des palettes (ailettes) sont placées dans le rotor et sont comprimées contre le "stator", le carter, par des ressorts et/ou une pression. Des cavités se forment systématiquement entre le rotor, le stator et les palettes. La taille de ces cavités varie pendant la rotation, ce qui permet de pomper le fluide. petite cavité refoulement grande cavité aspiration La pompe à palettes se compose d'un carter rond ou ovale. Un carter de pompe rond possède un côté refoulement et un côté aspiration. Un carter de pompe ovale possède deux côtés refoulement et deux côtés aspiration. Avantages Rendement uniforme, fonctionnement régulier Pompe peu bruyante Pompe relativement bon marché Applications Machines-outils Machines agricoles et engins de génie civil Hydraulique mobile 39

40 Techniques APPLiquées 9. Autres pièces d'un système La pompe à piston Cette pompe est aussi appelée "pompe à plongeur". Les pompes à piston sont principalement employées dans des systèmes à partir de 25 MPa (250 bars). Fonctionnement Les pompes à piston se composent toujours de pistons qui vont et viennent dans un alésage. Le fluide est aspiré lors du mouvement entrant et refoulé lors du mouvement sortant. Selon la position des pistons par rapport à l'arbre d'entraînement, on distingue : Pompes à pistons en ligne à rendement fixe Pompes à pistons radiaux à rendement fixe et variable Pompes à pistons axiaux à rendement fixe et variable 1. Pompe à pistons en ligne Cette pompe est peu fréquente en. Elle s'emploie principalement dans des installations d'arrosage d'eau "haute pression". Caractéristiques et points importants Longue durée de vie, moyennant une bonne filtration du fluide La purge de la pompe est importante 40

41 9. Autres pièces d'un système Techniques APPLiquées 2. Pompe à pistons radiaux Cette pompe s'emploie dans la construction mécanique générale, sur les engins de terrassement, etc. Dans les pompes à pistons radiaux, les pistons sont disposés en étoile par rapport à l'arbre d'entraînement. Les pistons se déplacent dans le sens du jet de l'arbre d'entraînement. Les pistons sont en rouge, l'arbre rotatif est en vert. Les pompes à pistons radiaux peuvent être réparties en deux groupes : a. Pompes à pistons radiaux à bloc-cylindres fixe Les pistons sont comprimés contre la plaque de refoulement par des ressorts. La pompe est équipée de clapets d'aspiration et de refoulement. b. Pompe à pistons radiaux avec bloc-cylindres rotatif La rotation du bloc-cylindres excentrique de la pompe à pistons radiaux fait entrer et sortir les pistons de leurs alésages. Les pistons sont poussés vers l'extérieur, contre la bague de roulement, par la force centrifuge. À chaque nouvelle rotation du bloc-cylindres, la bague de roulement enfonce les pistons pour la course de refoulement. Le rendement de la pompe et la course varient en fonction de l'ampleur de l'excentricité. Caractéristiques et points importants Convient pour de hautes pressions de service (700 bars) Courte longueur de montage Moins sensible à l'encrassement que d'autres pompes à pistons Chère Une huile propre et bien filtrée est nécessaire Longue durée de vie Faible niveau de bruit Courts temps de réaction 41

42 Techniques APPLiquées 9. Autres pièces d'un système 3. Pompe à pistons axiaux Ce sont des pompes dans lesquelles les pistons coulissent axialement dans un bloc-cylindres (dans le sens de l'arbre). Ces mouvements de va-et-vient résultent de la présence d'une flasque oblique sur l'arbre d'entraînement. Cette flasque oblique est appelée "plaque de refoulement". Les pompes à pistons axiaux peuvent être réparties en trois groupes : a. Le type de pompe droite à bloc-cylindres fixe et plaque de refoulement tournante Cette pompe a été développée comme pompe pour benne basculante et possède des paliers à rouleaux très robustes. b. Le type de pompe droite à bloc-cylindres rotatif et plaque de refoulement fixe Les avantages de cette conception sont l'absence de clapets d'aspiration et de refoulement. Le bloc-cylindres touche une plaque miroir. c. Pompe avec bloc-cylindres rotatif et plaque de refoulement rotative (type à articulation) La plaque de refoulement et le bloc-cylindres tournent tous les deux. Le bloc-cylindres est entraîné par une transmission par engrenage, un arbre à cardan ou des pistons. Aucun clapet n'est requis sur ce type de pompes. 42

43 9. Autres pièces d'un système Techniques APPLiquées L'utilisation de ce type de pompes dépend d'un certain nombre de facteurs : puissance plage de pression débit volumétrique régime exigences constructives, comme : conditions d'utilisation, dimensions, durée de vie, nature et précision de la régulation bruit en fonctionnement prix 43

44 Techniques APPLiquées 9. Autres pièces d'un système 9.3. Les récepteurs Moteurs Hydraulique Selon le mouvement exécuté par le moteur, on distingue : les moteurs rotatifs ou moteurs s, les moteurs linéaires, appelés vérins s dans la pratique Fonctionnement Le moteur est alimenté en huile sous haute pression, cette huile met les composants de pompage en mouvement et l'arbre moteur de sortie commence à tourner. Cet arbre est accouplé à un outil qui est entraîné par le moteur. L'huile sortant du moteur est refoulée dans le réservoir où elle est de nouveau aspirée par la pompe. Le fonctionnement des moteurs rotatifs correspond à la matière déjà abordée sur le fonctionnement des pompes. On peut partir du principe qu'une pompe peut être utilisée comme moteur à condition de ne pas posséder de clapets. Quand la plaque de refoulement tourne dans un moteur en rotation et que le volume de refoulement diminue, le régime augmente. 1. Cylindre 2. Piston (plongeur) 3. Bielle avec sabot rigide 4. Excentrique 5. Arbre de sortie Moteur à pistons radiaux Les moteurs à pistons radiaux s'utilisent surtout dans des entraînements pour applications pénibles. Ces moteurs génèrent un couple élevé et un bas régime. Dans l' mobile, le moteur à pistons radiaux s'utilise aussi comme moteur-roue. Dans ce cas, le moteur est intégré dans la roue, pour former un entraînement compact. Le bloc-cylindres de ce moteur est fixe et le carter, qui se présente comme le moyeu de la roue, tourne. 44

45 9. Autres pièces d'un système Techniques APPLiquées Vérins s Le vérin est le composant le plus connu. Le vérin rend visible l'action de la force et les différents mouvements de travail. Le vérin produit un mouvement linéaire et est donc aussi appelé moteur linéaire. La construction simple, la grande densité de la force et les différentes méthodes de fixation en combinaison avec des leviers et/ou des charnières font des vérins un élément de construction polyvalent Applications Les vérins sont les composants de sortie du système dans : l'équipement de travail d'une machine, le système de direction sur des véhicules à pneus. 45

46 Techniques APPLiquées 9. Autres pièces d'un système Types de vérins Sur des engins de terrassement, le type de vérins est fonction de l'équipement de commande. Vérins avec pistons : le vérin à simple effet le vérin à double effet le vérin télescopique } ils effectuent un mouvement linéaire. Vérins avec palettes ou ailettes ils effectuent un mouvement rotatif. Le vérin à simple effet Ce vérin ne produit une force que pendant la course sortante. Le mouvement de retour est assuré par un ressort. Les pistons sont freinés en fin de course. La conduite d'alimentation en huile est tout simplement raccordée dans le "bas" du vérin. L'autre extrémité du vérin ne reçoit pas d'huile. Le vérin à double effet Ce vérin peut produire une force pendant la course d'entrée et la cours de sortie. L'expulsion du vérin est commandée par le refoulement de l'huile dans le fond du vérin. L'huile du côté de la tige du vérin est alors renvoyée dans le réservoir via le distributeur à tiroir. Le vérin est de nouveau enfoncé par l'envoi de l'huile du côté de la tige. Les manchettes du piston empêchent les fuites d'huile du fond vers la tige et inversement. Le joint de la tige empêche les fuites d'huile du côté de la tige vers l'air extérieur. La racle à saletés permet de maintenir la tige du piston propre. Comme, dans le cas d'un vérin à double effet, la surface active est plus importante du côté du fond que du côté de la tige, la force maximale à produire est plus petite lors du mouvement entrant que lors du mouvement sortant. 46

47 9. Autres pièces d'un système Techniques APPLiquées Le vérin télescopique Il se compose d'une série de vérins coulissant les uns dans les autres et a été spécialement développé pour offrir une grande longueur de service dans une courte longueur de montage. Il s'utilise dans des monte-charges, des grues télescopiques et des camions à benne basculante. Vérins avec palettes ou ailettes Ce type de vérins génère un mouvement de rotation alternatif. La rotation maximale atteint 360, soit pratiquement un tour complet. Les moteurs se caractérisent par un couple élevé et une faible vitesse angulaire. Applications Mécanisme de rotation d'engins de terrassement Commande de leviers Sur de plus petites excavatrices, pour pouvoir pivoter la benne coquille selon un certain angle. 47

48 Techniques APPLiquées 9. Autres pièces d'un système 9.4. Accumulateurs Le rôle de l'accumulateur est de stocker et de restituer l'énergie. Les accumulateurs s'emploient dans les situations suivantes : Comme source d'énergie de secours dans des systèmes qui requièrent un grand débit volumétrique pendant une courte période de temps. Dans ce cas, la pompe et l'accumulateur collaborent. Comme source d'énergie de secours, pour que le cycle entamé puisse être achevé en cas de panne du système. Comme source d'énergie afin de maintenir un système sous pression, en cas de fuites. Pour amortir des surpressions et des variations de pression résultant d'actions de commutation ou de pompages irréguliers. Stockage et récupération de l'énergie de freinage Types L'accumulateur à soufflet L'accumulateur à membrane L'accumulateur à piston 48

49 9. Autres pièces d'un système Techniques APPLiquées Fonctionnement Les différents types d'accumulateurs reposent sur le même principe. Prenons comme exemple l'accumulateur à soufflet. Celui-ci se compose d'une cuve métallique contenant un soufflet en caoutchouc. Le soufflet est rempli d'azote dont la pression varie entre 35 et 90 % de la pression de service maximale en fonction de l'application. On ne peut pas utiliser d'air en raison du risque d'explosion en cas de fuite éventuelle du soufflet. Le soufflet est doté d'une soupape saillant vers l'extérieur sur le dessus de l'accumulateur. Cette soupape permet d'ajuster ou de modifier la pression initiale de l'azote. Le bas de l'accumulateur est raccordé au système. La pompe comprime l'huile dans l'accumulateur en pressant le soufflet et la pression de l'azote monte. Si l'accumulateur est raccordé, via la commande, à un moteur par exemple, l'azote comprimé chasse l'huile de l'accumulateur et le moteur est entraîné sans que la pompe du système ne doive envoyer de l'huile. La soupape dans le bas de l'accumulateur est fermée par le soufflet gonflé et empêche que le soufflet écrase la conduite et l'endommage. 49

50 Techniques APPLiquées 9. Autres pièces d'un système 9.5. Conduites et flexibles s Les différents composants de l'installation sont reliés entre eux par un réseau de tuyauteries. À cet égard, on distingue : les conduites rigides tuyaux les conduites flexibles flexibles Tuyaux Des tuyaux de précision métalliques sans soudure s'emploient principalement dans des installations s. Avantages Ils peuvent être courbés à froid. Lors du courbage, il ne se produit pas de "coup de marteau" comme sur un tuyau courbé à chaud. Les dimensions des tuyaux sont normalisées. Tuyau de Ø 12 x 1,5 signifie : diamètre extérieur du tuyau : 12 mm diamètre intérieur: épaisseur de paroi : 1,5 mm 12 - (2 x 1,5) = 9 mm } D'autres matières sont parfois aussi utilisées pour des applications spéciales, notamment : Acier inoxydable Cuivre Laiton Aluminium 50

51 9. Autres pièces d'un système Techniques APPLiquées Flexibles Les flexibles sont utilisés pour relier ensemble deux raccords mobiles l'un par rapport à l'autre ; ils peuvent être branchés et débranchés rapidement à des appareils. Structure d'un flexible Le flexible se compose d'un flexible intérieur en caoutchouc ou en plastique, renforcé par une ou plusieurs couches de toile métallique ou de corde en fonction de la pression de service. Ces couches sont protégées par une gaine extérieure. Exigences auxquelles des flexibles doivent satisfaire : Flexibilité Légèreté Résistance aux hautes pressions de service Résistance aux agressions chimiques Inconvénients Vieillissement rapide Sensibilité aux coups de pression, avec endriot courbés et aux forces de torsion Raccords de conduites Des tuyaux de précision métalliques sans soudure jusqu'à un diamètre de tuyau de 38 mm reliés entre eux par des raccords filetés. Au-delà de 38 mm, des raccords à bride sont employés, ils ne sont toutefois pas abordés ici. Les techniques d'assemblage fréquemment employées sont : Bagues de compression Raccords coniques 51

52 Techniques APPLiquées 9. Autres pièces d'un système 9.5. Conduites et flexibles s Bagues de compression Le principe de ce raccord est que la "bague coupante" se coupe dans le tuyau et que le tuyau est maintenu en place après le serrage du manchon de serrage. L'étanchéification est créée sur le cône ainsi qu'entre la bague coupante et le tuyau. Raccords coniques Par rapport à la bague de compression, ce raccord peut être monté et démonté plus souvent. Après avoir glissé le manchon de serrage et le collier sur le tuyau, un outil spécial force un cône en forme de trompette sur ce raccord. Même si le tuyau n'est pas aligné précisément sur le raccord, il n'y a pas de fuite. L'étanchéité est assurée du côté de la partie conique Coupleurs rapides Les coupleurs rapides servent à assurer le couplage et le découplage rapides d'outils en tous genres, comme des marteaux piqueurs, des moteurs oscillants, etc. Lors du découplage de flexibles, une grande quantité d'énergie peut s'être accumulée dans la partie découplée. En réaction, le flexible découplé peut "fouetter". Le découplage de flexibles sous pression doit donc être réalisé de façon réfléchie et prudente. Attention 52 Point important : Une fois découplées, les deux parties du couplage doivent être obturées avec un bouchon anti-poussières afin d'éviter la pénétration de saletés.

53 10. Détection de charge Techniques APPLiquées 10. Détection de charge D'importantes pertes de puissance peuvent apparaître durant des travaux avec des composants s. Ce problème peut être résolu avec la détection de charge qui est aussi appelée " regulation volumétrique constante". La charge du système détermine le débit d'huile et la pression du système. Grâce à la détection de charge, le débit d'huile et la pression du système de la pompe sont ajustés en permanence. Une fois la pression maximale requise atteinte, le débit s'adapte automatiquement à la valeur de la charge manipulée. Couplage rapide à détection de charge Avantages Économie d'énergie, car la pression du système est régulée en fonction de la charge. Allongement de la durée de vie des composants s, car la charge moyenne est plus faible. Une régulation rapide et précise du débit d'huile, quelle que soit la charge. Échauffement moindre, un plus petit refroidisseur d'huile peut être monté et, en général, aucun refroidisseur d'huile n'est même nécessaire. Dans des systèmes à plusieurs pompes, le nombre de pompes peut être réduit. Moins de bruit. Fonctionnement Le signal de charge (pression) est mesuré ou enregistré entre une ouverture variable et la charge. Le signal est ensuite transmis au système de régulation de la pompe, qui régule le debit d'huile de telle sorte que la chutte de pression à travers l'ouverture variable reste constante. Attention Points importants : On doit s'assurer que le débit d'huile ne soit pas entravé par des rétrécissements dans la conduite. Les vannes s réglables doivent être ajustées correctement. 53

54 54

55 11. Cavitation Techniques APPLiquées 11. Cavitation Phénomène dangereux et régulier qui peut gravement endommager des pompes et des moteurs s. Des baisses de pression locales soudaines créent des bouchons de vapeur dans le fluide. La pression tombe brusquement sous la tension de vapeur du fluide. Les bouchons de vapeur implosent en cas d'augmentation de pression. Conséquences Bruit de ferraille Usure élevée Vibrations possibles de la machine Des implosions créent des vagues de pression avec des pressions locales dont les effets sont très dévastateurs. Une pompe peut être détruite en quelques heures. Dégâts possibles La matière s'effrite et des morceaux se détachent. Les métaux donnent l'impression d'avoir "été attaqués par des vers". Causes possibles de la cavitation Vitesse localement élevée du fluide résultant de rétrécissements, de la présence d'air dans le système ou de coups de pression soudains. Température élevée du fluide (tension de vapeur). Résistance, ce qui provoque la baisse de pression dans la partie d'aspiration du système résultant d'une conduite d'aspiration trop étroite, d'un filtre d'aspiration colmaté ou d'une mauvaise ventilation du réservoir d'huile. 55

56 56

57 12. entretien Techniques APPLiquées 12. Entretien Pour qu'une installation fonctionne de manière optimale, elle doit être entretenue et inspectée régulièrement. Une réaction précoce à des bruits bizarres peut aussi éviter d'aggraver la situation. Par entretien, on entend : tous les travaux de nettoyage, le prélèvement périodique d'échantillons d'huile, le remplacement de certains composants comme les filtres et l'huile. L'ampleur et la périodicité des inspections et des entretiens sont prescrites par le fabricant de l'installation Points importants lors de l'exécution d'un entretien La sécurité est primordiale lors de l'exécution de travaux d'entretien. Placer la machine en position d'entretien. Activer le verrouillage. Arrêter le moteur. Placer la machine sur un sol plat, abaisser le godet sur le sol pour que le balancier soit à la verticale. Desserrer lentement les bouchons de remplissage pour laisser s'échapper une pression éventuelle. Attention Si le réservoir est plus bas, la pompe ou le moteur doit être rempli afin de garantir une lubrification initiale Remplissage d'un réservoir avec purge Le réservoir est rempli jusqu'au repère supérieur de la jauge ou du regard, s'assurer que tous les vérins sont rentrés. Bien nettoyer le bouchon de remplissage avant de le remettre en place sinon des grains de sable éventuels peuvent endommager la pompe. Si l'installation ne possède pas de filtre de remplissage, utiliser un entonnoir avec tamis. 57

58 Techniques APPLiquées 12. entretien Remplissage d'un réservoir dans un système sous pression L'appoint d'un système sous pression ne peut être effectué qu'à froid. S'assurer que tous les vérins sont déployés afin d'éviter les dommages Purge d'une installation Démarrer le moteur diesel avec tous les leviers de commande de l'outil en position centrale pour que l'huile circule. Laisser tourner la pompe quelques minutes. Vérifier le niveau d'huile dans le réservoir et effectuer l'appoint le cas échéant. Amener successivement les clapets de commande dans les deux positions finales jusqu'à ce que le piston du vérin activé soit en position déployée. Tous les pistons sont maintenant déployés et les moteurs s sont aussi remplis. Le niveau d'huile dans le réservoir se situe maintenant un peu au-dessus du niveau minimal. Enclencher et couper successivement tous les vérins et moteurs pendant 10 à 15 minutes. Tout l'air contenu dans l'installation doit normalement avoir été évacué. Si de l'air est encore présent, on le remarque à ce qui suit : mouvements saccadés des moteurs et des vérins, bruit anormal, moussage (bulles d'air) dans le réservoir. Attention Des fuites doivent être réparées le plus vite possible. 58

59 12. entretien Techniques APPLiquées Niveau d'huile Le niveau d'huile doit être contrôlé chaque jour avec la pompe arrêtée et l'huile à la température de service. Certains fabricants prescrivent de vérifier le niveau d'huile à froid sur la machine. Que le niveau doive être contrôlé à froid ou à chaud, toujours respecter les prescriptions du fabricant. Attention En cas de niveau d'huile insuffisant, effectuer l'appoint immédiatement. Attention De l'huile chaude peut provoquer des blessures, veiller à éviter tout contact avec la peau. Contrôler toujours l'étanchéité du joint torique du bouchon de remplissage / de purge. Remplacer le joint d'étanchéité s'il est endommagé. Nettoyer toujours le bouchon de remplissage / de purge avant de le remettre en place Quand vidanger l'huile? Sur des engins de génie civil neufs, la première vidange d'huile doit avoir lieu après 50 heures de service. Il s'agit des heures de service de la pompe. Cette première vidange d'huile est nécessaire par mesure de prudence, car des particules métalliques, du caoutchouc et d'autres saletés résultant du rodage demeurent souvent dans le système après le montage de l'installation. L'huile doit aussi être remplacée après 50 heures à l'issue d'une révision complète ou partielle ou d'une longue période d'immobilisation (2 mois). Toujours employer le type d'huile prescrit par le fabricant. Attendre que le moteur soit coupé pour dévisser le bouchon du réservoir. Le bouchon doit être suffisamment froid pour pouvoir être touché avec la main nue. 59

60 Techniques APPLiquées 12. entretien Pour déterminer le degré d'encrassement de l'huile, veiller aux points suivants : valeur de ph (contrôler en fonction de l'indication de couleur du papier filtre), couleur (une huile noire contient de nombreux produits d'oxydation, une huile trouble ou laiteuse contient de l'eau), saletés, particules métalliques. Une analyse par un laboratoire chimique est très instructive et donne aussi des informations correctes sur l'état de l'huile. Attention Après une panne ou en cas d'usure d'une pompe, d'un moteur, d'un clapet ou d'un distributeur, les filtres à huile doivent être nettoyés Conduites d'huile de fuite Pour éviter les risques de retard de commutation et les variations de pression, il faut : s'assurer lors de la pose de conduites d'huile de fuite que les pompes et les moteurs sont complètement remplis, veiller à pouvoir évacuer l'huile de fuite sans pression Filtres Un filtre propre est très important pour la machine, un bon entretien implique un remplacement à temps des filtres : filtres de refoulement, en moyenne après 200 à 250 heures de service, filtres d'aspiration, une fois par semaine en usage normal. Une inspection régulière est nécessaire. Le degré de noirceur du filtre constitue aussi une indication du moment de remplacement opportun. Si des particules métalliques sont trouvées dans la cartouche filtrante, un aimant peut être utilisé pour voir la différence entre des particules ferreuses et non ferreuses. Des particules ferreuses peuvent indiquer une usure de pièces en acier et en fonte. Des particules non ferreuses peuvent indiquer une usure de pièces en aluminium du moteur, comme des paliers principaux, des coussinets de bielle, etc. 60