Bases des systemes hydrauliques : pression, debit, verins et conception de circuits
Comprenez le fonctionnement des systemes hydrauliques. Couvre le principe de Pascal, la pression, le debit, le dimensionnement des verins et la conception de circuits.
Le principe de Pascal
Le principe de Pascal est le fondement de tous les systemes hydrauliques : une variation de pression appliquee a un fluide confine est transmise uniformement dans tout le fluide et dans toutes les directions. Cela signifie que si vous appliquez une force de 10 N sur un piston de 1 cm^2, la pression de 10 N/cm^2 (environ 100 kPa) est transmise a un second piston. Si ce second piston a une surface de 100 cm^2, la force exercee est de 1 000 N, soit un multiplicateur de force de 100. C'est le principe du cric hydraulique. Le compromis est que le petit piston doit parcourir une distance 100 fois plus grande que le grand piston pour deplacer le meme volume de fluide.
Composants de base du systeme hydraulique
Un systeme hydraulique typique comprend : un reservoir pour stocker le fluide hydraulique, une pompe pour mettre le fluide sous pression, un moteur electrique ou thermique pour entrainer la pompe, des distributeurs (vannes de commande) pour diriger le fluide vers les actionneurs, des actionneurs (verins ou moteurs hydrauliques) pour convertir la pression en force ou couple, des filtres pour maintenir la proprete du fluide, un refroidisseur pour evacuer la chaleur, et des conduites (tuyaux rigides et flexibles) pour transporter le fluide. Le fluide hydraulique est generalement une huile minerale avec des additifs anti-usure, anti-mousse et anti-corrosion.
Pression et debit
La pression determine la force que le systeme peut exercer, tandis que le debit determine la vitesse de l'actionneur. La force d'un verin = Pression x Surface du piston. Le debit de la pompe = Cylindree x Vitesse de rotation. La vitesse du verin = Debit / Surface du piston. Les pressions de fonctionnement typiques sont : 50-100 bar pour les systemes de manutention legers, 150-250 bar pour les equipements de construction et les machines-outils, 250-400 bar pour les presses et les equipements lourds. Le debit est mesure en litres par minute (L/min) ou gallons par minute (GPM). 1 GPM = 3,785 L/min.
Dimensionnement des verins
Pour dimensionner un verin, commencez par la force requise et la pression du systeme. Le diametre du piston est : D = racine(4*F / (pi*P)), ou F est la force et P la pression. Pour un verin double effet, la force en retraction est plus faible car la tige reduit la surface effective. La course du verin determine la longueur de deplacement. La vitesse du verin depend du debit de la pompe : v = Q / A, ou Q est le debit et A la surface du piston. Exemple : pour une force de 50 kN a 200 bar (20 MPa), A = 50 000 / 20 000 000 = 0,0025 m^2, soit un diametre d'environ 56 mm. On choisirait un verin standard de 63 mm.
Types de pompes et de moteurs hydrauliques
Les trois types principaux de pompes hydrauliques sont : les pompes a engrenages (simples, robustes, economiques, 80-90 % de rendement), les pompes a palettes (fluides, faible bruit, bon rendement), et les pompes a pistons axiaux (hautes pressions, haut rendement 90-95 %, cylindree variable). Les pompes a cylindree variable permettent de controler le debit sans changer la vitesse du moteur d'entrainement, ce qui ameliore l'efficacite energetique. Les moteurs hydrauliques convertissent la pression et le debit en couple et vitesse de rotation, et existent dans les memes configurations que les pompes.
Circuits hydrauliques de base
Les circuits hydrauliques de base comprennent : le circuit a centre ouvert (le fluide circule librement vers le reservoir lorsque les vannes sont en position neutre, adapte aux pompes a cylindree fixe), le circuit a centre ferme (le fluide est bloque en position neutre, adapte aux pompes a cylindree variable), et le circuit load-sensing (la pompe ajuste sa pression et son debit pour correspondre exactement a la demande de la charge, maximisant l'efficacite). Les soupapes de surete limitent la pression maximale pour proteger le systeme. Les clapets anti-retour empechent le reflux. Les regulateurs de debit controlent la vitesse des actionneurs independamment des variations de charge.