33-99 No. Rue E Mufu, District de Gulou, Nanjing, Chine [email protected] | [email protected]
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Dans les systèmes hydrauliques industriels, la pompe est généralement montée au-dessus du réservoir contenant le fluide du système. La conduite d’aspiration (appelée également conduite d’entrée) relie l’orifice d’entrée de la pompe à l’huile présente dans le réservoir.
L’écoulement du fluide depuis le réservoir vers la pompe peut être considéré comme un système hydraulique distinct. Dans ce sous-système, la dépression créée par la pompe constitue la résistance à l’écoulement, et l’énergie qui déplace le fluide provient de la pression atmosphérique. L’atmosphère, agissant sur la surface de l’huile dans le réservoir, joue le rôle d’un accumulateur.
Figure 5-1 : Installation standard de la pompe — pompe placée en haut, conduite d’aspiration située sous le niveau d’huile. La pression atmosphérique agissant sur la surface de l’huile est ce qui pousse l’huile vers le haut, dans la pompe.
Nous considérons généralement l’air comme dépourvu de poids, mais l’atmosphère d’air entourant la Terre exerce en réalité une pression. Torricelli, l’inventeur du baromètre, a montré que la pression atmosphérique peut être mesurée à l’aide d’une colonne de mercure. En inversant un tube rempli de mercure dans une cuve contenant du mercure, il a constaté qu’au niveau de la mer la hauteur de la colonne de mercure soutenue par la pression atmosphérique est de 29,92 po (760 mm). Ainsi, dans des conditions standard, la pression atmosphérique au niveau de la mer équivaut à une colonne de mercure de 29,92 po (760 mm). Bien entendu, tout lieu situé au-dessus du niveau de la mer présente une pression atmosphérique plus faible.
La pression hydraulique est généralement exprimée en psi ou en bar, tandis que la pression atmosphérique est généralement mesurée en in.Hg (pouces de mercure) ou en mmHg. À 68 °F (20 °C) et à une humidité relative de 36 %, la pression atmosphérique au niveau de la mer équivaut à 29,92 in.Hg ou à 760 mmHg, soit 14,7 psia ou 1,01 bar. Il est important de noter que l’unité bar n’est pas utilisée pour définir la pression atmosphérique ; la pression atmosphérique normale vaut plutôt 101 000 N/m².
Lors de la conversion entre in.Hg et psi, notez que 1 psia = 2,04 in.Hg et que 1 bar ≈ 752 mmHg. Ainsi, approximativement : 1 psia ≈ 2 in.Hg, ou 1 bar ≈ 750 mmHg.
La pression absolue et la pression relative peuvent toutes deux être utilisées pour mesurer la pression dans un système hydraulique.
La pression absolue est mesurée à partir du point zéro de pression — c’est-à-dire le point où la pression est totalement absente. L’unité peut être le psi (bar) ou l’in.Hg (mmHg). La pression absolue est désignée en ajoutant le suffixe « a » : psia (psi absolu), bara.
La pression relative est mesurée à partir du point de référence de la pression atmosphérique. L'unité est le psi (bar). La pression absolue est égale à la pression relative plus la pression atmosphérique standard. Exemple : si un système affiche 100 psig (6,9 bar relatif) et que la pression atmosphérique standard est de 14,7 psia (1 bar), la pression absolue est de 114,7 psia (7,9 bar absolu). Pour distinguer les deux, la pression relative s'écrit « psig » et la pression absolue « psia ».
Lorsque la pompe est à l'arrêt, le côté entrée du système est en équilibre : la différence de pression entre la pompe et l'atmosphère est nulle, ce qui signifie qu’il n’y a pas d’écoulement. Pour alimenter en huile son ensemble tournant, la pompe en marche crée une pression inférieure à la pression atmosphérique — le système devient déséquilibré — et l’écoulement commence.
La pression exercée par l’atmosphère sur le fluide remplit deux fonctions :
La majeure partie de la pression atmosphérique est utilisée pour accélérer le fluide vers la pompe, mais la première tâche doit être accomplie en premier lieu : fournir du fluide à l’entrée de la pompe. Si trop de pression atmosphérique est consommée à ce stade, il n’en restera pas suffisamment pour accélérer le fluide vers l’ensemble tournant. Cela provoque un défaut d’alimentation de la pompe, entraînant ce que l’on appelle la cavitation.
La cavitation est la formation et l’effondrement de cavités de vapeur dans un liquide. Elle nuit à la pompe de deux manières :
Du côté de l'entrée de la pompe, des cavités de vapeur se forment dans tout le fluide. Cela réduit l'efficacité de la lubrification et accélère l'usure. Lorsque ces cavités atteignent la zone à haute pression située à la sortie de la pompe, leurs parois sont comprimées puis s'effondrent violemment, libérant une énergie considérable qui « érode » les surfaces métalliques — tout comme un sculpteur utilisant un marteau et un ciseau sur la pierre. Si la cavitation n'est pas corrigée, la durée de vie de la pompe est réduite, et les débris issus de la cavitation peuvent se propager vers d'autres parties du système et endommager d'autres composants.
Figure 5-5 : Dégâts causés par la cavitation sur l’alésage du carter de la pompe. Le motif microscopique de piqûres résulte de l’implosion répétée de cavités de vapeur à la surface métallique.
Le signe le plus évident de la cavitation est le bruit : lorsque les cavités implosent, elles génèrent des vibrations de forte amplitude qui se propagent dans l'ensemble du système, et la pompe hydraulique émet un son aigu et perçant. Lorsque la cavitation se produit, les chambres de la pompe ne sont pas entièrement remplies de fluide, ce qui entraîne une diminution du débit et une instabilité de la pression du système.
La cavitation se forme dans un liquide parce que ce liquide entre en ébullition — mais cette ébullition n’est pas causée par la chaleur. Elle est provoquée par le fait que le liquide atteint une pression absolue suffisamment faible.
Toutes les molécules d’un liquide sont en mouvement constant, mais pas à la même vitesse. Les molécules les plus rapides, situées près de la surface, tentent de s’échapper dans l’espace situé au-dessus, malgré l’attraction exercée par les molécules environnantes. La force que doivent vaincre ces molécules rapides pour s’échapper dans l’atmosphère est la pression de vapeur du liquide.
Si le récipient contenant le liquide est hermétiquement fermé, des molécules se déplaçant rapidement pénètrent dans l’espace situé au-dessus du liquide. Lorsque cet espace atteint la saturation de vapeur, les molécules entrent en collision et retournent dans le liquide. Le départ des molécules est appelé évaporation ; leur retour, condensation. Lorsque les vitesses d’évaporation et de condensation sont égales, un état d’équilibre est atteint et la pression exercée par la vapeur correspond à la pression de vapeur saturante de ce liquide. La pression de vapeur est généralement exprimée en unités de pression absolue, en pouces de mercure (in.Hg).
La pression de vapeur dépend de la température. À mesure que la température augmente, les molécules du liquide acquièrent davantage d’énergie et se déplacent plus rapidement. La pression de vapeur augmente. Lorsque la pression de vapeur devient égale à la pression atmosphérique, les molécules du liquide peuvent s’échapper librement dans l’atmosphère — ce phénomène est appelé ébullition. L’eau bout au niveau de la mer à 212 °F (100 °C), car, à cette température, sa pression de vapeur saturante égale la pression atmosphérique.
Un liquide peut également être porté à ébullition en réduisant la pression qui s’exerce sur lui. Lorsque la pression réduite devient égale à la pression de vapeur saturante du liquide, les molécules de ce dernier peuvent pénétrer librement dans l’espace situé au-dessus de la surface du liquide. L’eau à 100 °F (37,2 °C) a une pression de vapeur saturante de 2 po Hg (0,068 bar). Si un récipient contenant de l’eau à 100 °F est relié à une pompe à vide et que la pression absolue interne chute jusqu’à 2 po Hg (0,068 bar), l’eau entre en ébullition. Les pompes manipulant un liquide subissent généralement ce type d’ébullition.
L'huile hydraulique au niveau de la mer contient environ 10 % d'air dissous. Cet air est présent à l'état dissous dans le liquide — il est invisible et n'augmente pas de façon notable le volume du liquide. La capacité de l'huile hydraulique, ou de tout autre liquide, à dissoudre de l'air diminue lorsque la pression exercée sur le liquide diminue. Par exemple, si un verre d'huile hydraulique sous pression atmosphérique est placé dans le vide, l'air dissous se transforme en bulles et s'échappe de la solution. Lors de la cavitation, l'air dissous s'échappe de l'huile et provoque des dommages à la pompe hydraulique.
L'air entraîné désigne de l'air présent dans le liquide à l'état non dissous — sous forme de bulles. Si une pompe aspire occasionnellement de l'huile contenant de l'air entraîné, les bulles d'air exercent sur la pompe des effets similaires à ceux de la cavitation. Toutefois, comme ce phénomène n'est pas lié à la pression de vapeur du liquide, on parle de pseudo-cavitation.
Si des fuites se produisent dans la conduite d’aspiration ou si le joint d’étanchéité de l’arbre de la pompe cède, de l’air entraîné est presque toujours présent dans le système. Comme la pression du côté amont de la pompe est souvent inférieure à la pression atmosphérique, toute ouverture à cet endroit provoque l’aspiration d’air dans l’huile et dans la pompe. Toutes les bulles d’air entraîné qui ne peuvent pas s’échapper du réservoir pénètrent également dans la pompe.
La cavitation est extrêmement dommageable tant pour la pompe que pour le système. C’est pourquoi les fabricants de pompes spécifient des limites côté amont pour leurs produits. Les fabricants de pompes hydrauliques industrielles à déplacement positif indiquent généralement que la pression à l’entrée de la pompe doit être inférieure à la pression atmosphérique afin que le fluide puisse être injecté dans l’ensemble rotatif de la pompe. Toutefois, cette spécification de pression n’est généralement pas fournie en unités de pression absolue, mais exprimée en termes de vide.
Le vide est toute pression inférieure à la pression atmosphérique. Le vide est un concept trompeur, car son point de départ coïncide avec celui de la pression relative (pression atmosphérique), mais les valeurs sont comptées vers le bas en pouces de mercure (in.Hg) ou en millimètres de mercure (mmHg).
0 in (0 mm) de vide = pression atmosphérique ou pression relative nulle. 29,92 in.Hg (760 mmHg) de vide = vide complet ou pression absolue nulle.
Comme illustré sur le schéma, un bac de mercure relié, par un tube en verre, à un récipient soumis à la pression atmosphérique : puisque la pression à l’intérieur du récipient égale la pression atmosphérique agissant sur le bac, le mercure ne monte pas dans le tube en verre. Une hauteur nulle de la colonne de mercure indique que le récipient n’est pas sous vide.
Si le récipient est mis sous vide jusqu'à ce que la pression interne chute de 10 po Hg (254 mmHg), la pression atmosphérique agissant sur la surface du bac peut alors supporter une colonne de mercure de 10 po (254 mm) — le vide mesuré est de 10 po Hg (254 mmHg). Si le récipient est évacué jusqu'au vide absolu (pression absolue nulle), la pression atmosphérique peut supporter une colonne de mercure de 29,92 po (760 mm) — le vide mesuré est de 29,92 po Hg (760 mm).
vide de 0 po (0 mm) de mercure = pression atmosphérique = pression relative nulle. Vide de 29,92 po Hg (760 mm) = vide absolu = pression absolue nulle.
Figure 5-9 : Mesure du vide à l’aide d’un manomètre à mercure. Les trois états, du haut vers le bas : pression atmosphérique (vide nul), vide partiel (10 po Hg) et vide absolu (29,92 po Hg = 0 psia).
Un manomètre à vide est étalonné de 0 à 30 in.Hg (0–760 mmHg), chaque graduation représentant 1 in.Hg. Au niveau de la mer, pour convertir une lecture sur un manomètre à vide en pression absolue, il suffit de soustraire la valeur lue (en in.Hg) de 30 in.Hg (760 mmHg). Par exemple, une lecture de vide de 7 in.Hg (177 mmHg) correspond à une pression absolue de 23 in.Hg (583 mmHg).
Les fabricants de pompes utilisent des unités de vide pour les exigences relatives à l’entrée, car celles-ci sont liées au niveau de la mer : lorsque la pompe est utilisée à une altitude supérieure au niveau de la mer, il faut tenir compte de la pression atmosphérique plus faible à cette altitude.
Exemple : Si un fabricant précise que la dépression maximale à l’entrée ne doit pas dépasser 7 po Hg (177 mmHg), cela signifie que le fabricant exige une pression absolue d’au moins 23 po Hg (583 mmHg) (ou pression atmosphérique) à l’entrée de la pompe afin d’accélérer le fluide vers l’ensemble rotatif. Si la pression absolue à l’entrée de la pompe tombe en dessous de 23 po Hg (583 mmHg), la pompe risque d’être endommagée, bien que cela dépende du coefficient de sécurité intégré par le fabricant dans la cote de dépression. Toutes les spécifications publiées concernant l’entrée de la pompe supposent une vitesse nominale et de l’huile minérale. Si la pompe fonctionne à une vitesse différente ou utilise un fluide différent, les spécifications doivent être ajustées.
La dépression maximale admissible de la pompe dépend du fluide à pomper. Les exigences techniques côté aspiration sont calculées en fonction de la densité relative et de la pression de vapeur de l'huile pétrolière. Si des fluides hydrauliques résistants au feu sont utilisés, les variations de la densité relative et de la pression de vapeur influenceront la dépression maximale admissible côté aspiration.
La densité relative est le rapport entre le poids d’un liquide donné et celui d’un autre liquide. Plus précisément, il s’agit du rapport entre le poids d’un volume fixe de liquide et le poids du même volume d’eau. À 60 °F (15,6 °C), 1 pi³ d’eau pèse 62,4 lb (28,3 kg). En divisant le poids de l’huile par celui de l’eau, on constate que l’huile pèse 90 % du poids de l’eau, ou que le rapport des poids est de 1 (eau) à 0,90 (huile pétrolière) — la densité relative (DR) de l’huile pétrolière est donc de 0,90.
Les exigences relatives à l'entrée de la pompe sont calculées pour de l'huile pétrolière de densité relative comprise entre 0,87 et 0,90. Pour les fluides ignifuges à base d’ester de phosphate, la densité relative augmente de 30 %, atteignant environ 1,15. La densité relative des fluides hydrauliques à base d’eau varie de 0,93 (émulsion HFB) à 1,08 (eau-glycol). Afin d’accélérer l’aspiration de ces fluides plus denses dans la pompe, une pression plus élevée est requise à l’entrée de la pompe. Par conséquent, le vide maximal admissible doit être légèrement réduit.
L’huile pétrolière et les fluides ignifuges à base d’ester de phosphate présentent, aux températures normales de fonctionnement hydraulique, des pressions de vapeur très faibles, contrairement aux fluides hydrauliques à base d’eau. Ces derniers contiennent une proportion élevée d’eau. La pression de vapeur des émulsions HFB et des fluides eau-glycol peut atteindre plusieurs pouces de mercure, tandis que celle de l’huile pétrolière et des fluides synthétiques ne représente qu’une fraction de pouce de mercure. Par conséquent, les fluides à base d’eau sont plus sujets à l’évaporation et à la cavitation.
Pour éviter la cavitation des fluides à base d’eau, les fabricants de pompes exigent une pression suffisante à l’entrée de la pompe afin d’accélérer le fluide de travail dans la pompe. Cette exigence peut être satisfaite en réduisant le vide maximal admissible.
Figure 5-13 Comparaison des pressions de vapeur. Les fluides à base d’eau présentent une pression de vapeur nettement plus élevée que celle de l’huile minérale à la même température, ce qui les rend plus sensibles à la cavitation si le vide à l’entrée est trop élevé.
Le personnel d’entretien est le plus susceptible de détecter précocement une cavitation naissante ou une aspiration d’air par la pompe, car sa familiarité avec la machine lui permet de remarquer les premiers signes de défaillance.
Le signe le plus évident de la cavitation ou de l'ingestion d'air par une pompe hydraulique est un son aigu, mais il existe des différences subtiles : une pompe en cavitation produit un son aigu régulier — ce bruit peut être causé par l'effondrement de bulles de taille similaire. Lorsqu'elle aspire de l'air, le bruit émis par la pompe varie fortement : lorsque de petites quantités d'air pénètrent dans la pompe, le bruit ressemble à des cliquetis ou à une défaillance de roulement ; si de grandes quantités d'air entrent, elle produit un son inhabituel de martèlement ou de crépitement.
Une méthode plus fiable pour distinguer la cavitation de l'ingestion d'air consiste à utiliser un manomètre à vide afin de déterminer la pression absolue à l'entrée de la pompe. Soustrayez la valeur lue sur le manomètre à vide de la pression atmosphérique ; si la valeur de pression absolue obtenue est insuffisante, une cavitation peut se produire.
Pour les nouveaux systèmes hydrauliques : si la pompe cavite, cela peut être dû à une conception défectueuse de la conduite d’aspiration ou à une viscosité de l’huile trop élevée. L’utilisation d’une huile présentant la viscosité appropriée ou l’augmentation du diamètre de la conduite d’aspiration afin de réduire la chute de pression dans la conduite permettront d’atténuer le phénomène de cavitation. Pour un système existant correctement conçu : si la pompe cavite, cela peut résulter d’un bouchon dans la conduite d’aspiration causé par des débris, du papier ou de petits animaux — ou encore d’un filtre d’entrée trop encrassé et dépourvu de dispositif de dérivation, ou bien ce dispositif de dérivation ne s’ouvre pas suffisamment.
Pour les pompes hydrauliques, l’« amorçage » désigne le remplissage du mécanisme de pompage avec du fluide. Une pompe non amorcée contient de l’air ou des « poches d’air ». Avant le début de l’action de pompage, cet air doit être évacué de la conduite d’aspiration et de la cavité de la pompe. Si cette étape est omise, la mise en marche d’une pompe hydraulique non amorcée peut provoquer des dommages irréversibles en quelques minutes, en raison d’un manque de lubrification.
Une pompe dont la sortie est connectée directement au réservoir par l'intermédiaire d'une valve directionnelle peut généralement évacuer facilement les gaz résiduels vers le réservoir au démarrage. Si la pompe doit évacuer l'air interne par la vanne de sécurité, cette opération peut ne pas être possible — car une pompe hydraulique industrielle typique est un très mauvais compresseur d'air.
Pour évacuer l'air résiduel d'une pompe non amorcée, desserrez le raccord tubulaire à la sortie de la pompe, faites tourner lentement la pompe jusqu'à ce que de l'huile jaillisse du raccord, signe que la pompe est amorcée, puis resserrez le raccord. L'air résiduel peut également être évacué en déchargeant la vanne de sécurité.
Les pompes hydrauliques nécessitent généralement un amorçage uniquement au démarrage d'un nouveau système ou après une maintenance effectuée sur le côté aspiration d'un système existant.
Les termes et formules suivants sont utilisés lors du travail avec les conditions d'entrée de la pompe :
La condition dans laquelle l'entrée de la pompe se trouve en dessous du niveau du fluide dans le réservoir. Avec une aspiration noyée, la hauteur de fluide (force de gravité) fournit une énergie supplémentaire pour pousser le fluide vers l'intérieur de la pompe.
La pression au bas d'une colonne de fluide. Lorsque l'entrée de la pompe se trouve en dessous du niveau du fluide, la pression due à la hauteur fournit une source d'énergie supplémentaire pour la pompe. Formules de la pression due à la hauteur :
Pression due à la hauteur (en po Hg) = Hauteur (en po) × 0,036 × Masse volumique relative ÷ 0,491
Pression due à la hauteur (en mmHg) = Hauteur (en mm) × 0,0288 × Masse volumique relative
La hauteur équivalente de colonne exprimée en unités de longueur, située en dessous d'un point de référence donné. Formule de la pression d'aspiration (en po Hg) :
Pression d'aspiration (en po Hg) = Hauteur (en po) × 0,036 × Masse volumique relative ÷ 0,491
Pression d'aspiration (en mmHg) = Hauteur (en mm) × 0,0288 × Masse volumique relative
L'action qu'une pompe hydraulique exécute pour créer une différence de pression entre elle-même et l'atmosphère.
La pression absolue du fluide à l'entrée de la pompe.
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