Notice Technique_EMI_AT2_SQ16_2

AT1_SQ7_Filtration hydraulique
Electromécani
Electromécanicien
omécanicien(ne)
cien(ne) de
Maintenance Industrielle
Notice Technique :
Filtration hydraulique
Centre de formation de :
Foulayronnes
Gagnez en compétences
EMI-AFPA Foulayronnes 47-JPM-08/2013
Version AFPA Bègles
AFPA Bègles
TMI-EMI
Hydrau NIV 1
Filtration hydraulique
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TMI-EMI
1
2
3
Généralités .......................................................................................................................... 3
Pollution solide .................................................................................................................. 3
Les origines ........................................................................................................................ 8
3.1
Pollution à la mise en service ..................................................................................... 8
3.2
origine mécanique ...................................................................................................... 8
3.3
origine chimique ......................................................................................................... 8
4
Les effets .......................................................................................................................... 11
4.1
Pompes ..................................................................................................................... 11
4.2
Limiteurs de pression ............................................................................................... 11
4.3
Distributeurs ............................................................................................................. 11
4.4
Clapets anti-retour .................................................................................................... 12
4.5
Vérins ....................................................................................................................... 12
4.6
Moteurs hydrauliques ............................................................................................... 12
4.7
Tiges de vérins ......................................................................................................... 12
5
Filtration ........................................................................................................................... 13
6
Principe de fonctionnement d’un filtre............................................................................. 14
7
Efficacité des filtres: ......................................................................................................... 15
7.1
Finesse de filtration absolue: .................................................................................... 15
7.2
Finesse de filtration nominale: ................................................................................. 15
7.3
Valeur ß .................................................................................................................... 15
8
Position des filtres dans les circuits: ................................................................................ 16
8.1
A l'aspiration ............................................................................................................ 17
8.2
Au refoulement ......................................................................................................... 18
8.3
Au retour .................................................................................................................. 19
8.4
Filtre en dérivation ................................................................................................... 20
8.5
Filtres sur les circuits de servovalves ....................................................................... 20
8.6
Filtre à air ................................................................................................................. 20
9
Sécurité des filtres: ........................................................................................................... 21
10
changement des filtres .................................................................................................. 22
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1 Généralités
Les polluants présents dans un circuit occasionnent des dommages et/ou une usure prématurée
des composants .
Nous ne décrirons que les filtres destinés à l'élimination des particules solides, en se rappelant
qu'il existe des appareils et procédés spécifiques pour les autres polluants (l'eau en
particulier).
Ces polluants peuvent être de deux types:
•
•
•
•
•
•
•
•
Solides, par exemple:
Particules venant de l'extérieur (exemple: silice)
Particules d'usure venant des composants
Solubles ou non solides, par exemple:
Eau (condensation, infiltration...)
Lubrifiant, fluide de coupe, solvant
Air en émulsion
Gommes, boues ...provoquant des dépôts
Le coût d’une panne en chiffres réels est toujours difficilement calculé. Les points suivants
doivent être pris en considération.
-
Coût des pièces à remplacer
-
Coût de l’installation de nouvelles pièces
-
Frais accessoires de la commande des pièces
-
Pertes de production sur la machine concernée
-
Pertes de production dans d’autres services suite à l’arrêt de la machine détériorée
-
Perte de profit
-
Montant des frais généraux, des frais d’exploitation, lumière, chauffage…
-
Perte de client si l’arrêt est long … etc
Le préventif systématique sur une installation prend dès lors de l’importance si les fréquences
et la gravité des pannes s’en trouve réduite (10 mn de panne = 15 voitures, source Renault).
2 Pollution solide
On décompose généralement la pollution solide en trois catégories.
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La pollution Grossière
Correspond aux particules > 15 microns.
Jeu Fonctionnel
8 à 20 µm à
environ
selon le calibre
La valeur de 15 microns représente la valeur moyenne du jeu rencontré en hydraulique
industrielle.
Les conséquences de la pollution grossière sont les suivantes :
Panne brutale des composants
Pollution
grossière
Grippage
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Phénomène
instantané
Arrêt de
L’équipement
Coût
Financier
élevé
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La pollution fine correspond à des particules de 5 à 15 micromètres
L’expérience montre que ce type de pollution représente plus de 70 % de la pollution
rencontrée dans un fluide hydraulique.
Jeu fonctionnel
8 à 20 µm environ
selon calibre.
Les conséquences de la pollution fine sont les suivantes :
Usure par abrasion des composants. Fuites internes. Imprécision des réglages. Blocage des
valves
Pollution
fine
Pâte à
roder
Augmentation des
jeux
Augmentation des
fuites
Augmentation
température
Chute de
rendement
volumétrique
.
Diminution
viscosité
RalentisseMent du
mouvement
Grippage
éventuel
Les effets de la pollution fine s’étalent sur un temps plus ou moins long de quelques minutes à
plusieurs centaines d’heures. Dans certains cas, l’incident peut-être très rapide par le
phénomène d’avalanche, la pollution produit de la pollution est ainsi de suite.
Ce type de pollution nécessite la mise en œuvre de filtres fins, aux endroits judicieux du
circuit.
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La pollution ultra fine correspond aux particules de 0 à 5 micromètres
Cette pollution est appelée également « boues microniques » comprend les petites particules
métalliques, mais aussi les gels de fluide (paraffine, vernis et autres additifs issus du raffinage
pétrolier ). Elle concerne également les sels et oxydes métalliques.
En plus de l’effet de pâte à roder comme pour le cas de la pollution fine, les particules
microniques vont avoir des effets néfastes sur les systèmes à jeux fonctionnels très faibles,
rencontrés par exemple dans les servovalves.
Les conséquences sont les suivantes :
-
Obturation des gicleurs de petit diamètre,
-
Colmatage des tiroirs à arêtes vives et recouvrement nul,
-
Blocage des tiroirs à faible jeu à commande électrique
-
Usure prématurée des paliers avec roulements.
Pour finir, on doit savoir que la pollution ultra fine provoque l’oxydation du fluide
hydraulique.
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Quelques valeurs de jeu fonctionnel critique
Organe hydraulique
Pompe à engrenage
Jeu typique en microns
(haute pression à rattrapage de jeu hydrostatique)
pignon/flasque
denture/corps de pompe
Pompe à engrenages
0,5 à 5
0,5 à 5
(Basse pression à jeu fixe)
pignon/flasque
denture/corps de pompe
Pompe à piston
Piston/cylindre
Barillet /plateau de distribution
25à 50
25à 50
5 à 40
1,5 à 10
Pompe à palettes
Palette/corps de pompe
Palette/encoche
Jeu latéral de palette
Distributeurs
Orifice
Tiroir/douille
A clapet
Vérins
0,5 à 5
5 à 20
5 à 15
130 à 10 000
1 à 20
13 à 40
50 à 250
On considère qu’une usure abrasive peut apparaître dès que la taille
des contaminants devient supérieure à la moitié de la valeur du jeu
fonctionnel
critique
de
l’organe
considéré.
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3 Les origines
Si nous devons considérer la pollution originelle et extérieure comme faute technique,
imputable à la conception et à la réalisation de l’équipement
« Le monteur hydraulicien doit travailler dans les règles de l’art ».
Il n’en va pas de même pour la pollution fonctionnelle générée en permanence par les organes
en mouvements à l’intérieur du circuit.
Le processus générateur de pollution solide peut avoir plusieurs causes décomposées comme
suit :
3.1 Pollution à la mise en service
3.2 origine mécanique
-
L’abrasion
L’érosion
La fatigue mécanique
L’adhérence
3.3 origine chimique
-
La cavitation
La corrosion
Les sels et oxydes métalliques
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L’abrasion
Elle est provoquée par les particules fines et microniques de dimensions sensiblement égales
au jeu fonctionnel pénétrant entre deux surfaces en mouvement. Elle provoque des
arrachements de métal avec rayures, augmentation du jeu et du taux de fatigue des pièces
mécaniques chargées.
L’érosion
Particules solides
Elle est provoquée par l’effet de jet d’une particule liquide ou solide s’écoulant à grande
vitesse et venant frapper la surface métallique.
L’énergie cinétique de la particule est supérieure aux forces de cohésion de la surface
métallique et génère des arrachements de métal.
L’érosion est surtout sensible en hydrauliques aux endroits où prennent naissance des forces
hydrodynamiques élevées en particulier aux faibles ouvertures de tiroirs de servovalves et
distributeurs à effets proportionnels. Le défaut est également constaté sur les arêtes de tiroirs
de réduction de pression, et cônes de clapets à fortes ∆P. (limiteurs de pression).
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La fatigue mécanique
Elle est provoquée par des surcharges mécaniques agissant à la surface métallique et
provoquant des déformations élastiques et plastiques en sous couche non traitée. Des fissures
apparaissent et des fragments métalliques se détachent générant de la pollution
solide. Les particules de fatigue se présentent souvent au microscope sous la forme de sphère.
Naturellement les phénomènes de fatigue se rencontrent essentiellement sur les paliers de
pompes et moteurs hydrauliques.
L’adhérence
Elles est provoquée par la rupture du film d’huile entre deux pièces chargées animées d’un
mouvement relatif. Des micro-soudures prennent naissance au point de contact avec pour
conséquence le grippage.
La cavitation
La destruction de pompes ou de moteurs hydrauliques par la cavitation, a pour origine le
dégazage des essences et aromates présents dans les fluides hydrauliques.
A l’implosion de ces bulles, des jets de 0,1 à 0,2 mm de longueur prennent naissance et
attaquent les surfaces métalliques à la vitesse de 1.000m/sec, avec des pressions de 10.000 à
100.000 bars. Des particules se détachent et polluent le circuit.
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La corrosion
La corrosion est un phénomène d’origine chimique.
Elle est provoquée par une réaction entre des corps chimiques contenus dans le fluide qui
attaque les surfaces métalliques.
Les éléments couramment rencontrés à l’origine de la corrosion dans les systèmes
hydrauliques sont :
-
L’eau
L’air
Les solvants chlorés
L’hydrogène
Une autre source de pollution est l’huile neuve, celle-ci est livrée avec une classe de
pollution plus élevée que celle du circuit hydraulique, le remplissage du réservoir
doit donc être effectué impérativement par l’intermédiaire d’un filtre (utilisation d’un
groupe de remplissage).
4 Les effets
4.1 Pompes
•
•
•
•
•
•
Les impuretés dans le bloc de distribution causent le grippage
des palettes, donc comportement anormal.
Elles causent donc l’usure de ces palettes sur le rotor.
Elles amènent l’usure de la portée de l’arbre et du roulement.
Elles augmentent l’usure des engrenages, ce qui diminue le
rendement.
Elles causent également l’usure des pistons et des alésages.
Dans les pompes à débit à cylindré variable, elles créent un
freinage, une réponse lente et un débit incontrôlable, ce qui
altère le fonctionnement de l’ensemble, crée une température
excessive avec une mauvaise utilisation de la puissance.
4.2 Limiteurs de pression
Les impuretés créent des vibrations.
L’accumulation des impuretés altère le fonctionnement et la pression devient irrégulière.
De plus, elles amènent l’usure du siège du limiteur.
4.3 Distributeurs
Les impuretés obturent les orifices, causent l’usure du tiroir et du corps créant une fuite trop
importante.
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L’accumulation des impuretés freine le mouvement des tiroirs et détériore les électro-aimants.
Elles coincent les valves, crée des coups de bélier endommageant les flexibles, les tuyauteries,
les raccords etc…
4.4 Clapets anti-retour
Les impuretés dans les valves permettent au fluide de by-passer le clapet.
Elles causent l’usure des sièges et créent des fuites.
4.5 Vérins
Les impuretés sont la cause de l’usure des tiges de piston, des joints de l’alésage du tube et
des pistons.
Elles sont la cause du mauvais fonctionnement des amortisseurs.
4.6 Moteurs hydrauliques
Les impuretés opèrent comme catalyseurs, cassant les structures moléculaires, amènent des
résidus de caoutchouc et conduisant au gommage.
Dans l’hypothèse de vitesse de rotations lentes, la boite à joints peut être lubrifiées à la graisse
propre.
On doit signaler que la pénétration de la pollution extérieure est favorisée dans deux cas de
montage :
-
Moteur hydraulique avec temps prolongés à l’arrêt, drain décomprimé audessus du niveau d’huile
-
Pompe hydraulique montée en dépression avec drain interne.
4.7 Tiges de vérins
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La pollution extérieure passe aisément par les tiges de pistons.
Cette aptitude pourra être favorisée si la conception du guidage de tige engendre le
phénomène de « pression de remorque » bien connu des spécialistes.
Dans ces conditions, une dépression peut prendre naissance derrière le dos du joint et,
favorise la pénétration des particules à l’intérieur du cylindre.
5 Filtration
L’expérience montre que la moitié des incidents qui mettent les installations hydrauliques en
panne sont imputable à des fluides pollués.
Le rôle du filtre est de réduire et contrôler à un niveau acceptable la taille et la concentration
des particules polluantes et , par conséquent prévenir une usure prématurée des composants.
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6 Principe de fonctionnement d’un filtre
Selon le type du filtre, celui-ci est composé d’un corps de filtre et d’une cartouche filtrante, ou
d’une cartouche filtrante (type filtre à huile de voiture) appelée cartouche « spin on ».
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7 Efficacité des filtres:
L'efficacité d'un filtre s'exprime par la taille des particules arrêtées par celui-ci, exprimée en
µm (10-3 mm). On parle de finesse de filtration ou degré de filtration.
7.1 Finesse de filtration absolue:
On indique alors la taille minimale des particules qui seront toutes arrêtées. Par exemple, un
filtre absolu à 10 µm ne laissera passer aucune particule de taille > 10 µm.
C'est une indication contraignante pour le fabricant, ce qui explique pourquoi cette garantie
est peu utilisée; on parle plus souvent d'efficacité relative.
7.2 Finesse de filtration nominale:
Cette valeur renseigne, selon les constructeurs, sur une rétention des particules comprise entre
50 et 95%.
On admet généralement qu’après plusieurs passages du fluide au travers du filtre, les
particules de la taille indiquée par la finesse de filtration ont toutes été retenues.
7.3 Valeur ß
La valeur ßx de la finesse de filtration est déterminée par le test « multipass ». C’est un
nombre sans dimensions obtenu en calculant le rapport entre le nombre de particules ayant un
taille supérieure ou égale à x, mesurée en amont de l’élément filtrant, et le nombre de
particules ayant un taille supérieure ou égale à x, mesurée en aval de l’élément filtrant
ß50 = 10 signifie par exemple qu’il y a 10 fois plus de particules de 50µ et plus à l’entrée du
fluide dans le filtre qu’à sa sortie.
La procédure d’essais est proche de la pratique et consiste en fonctionnement continu, en un
apport progressif de polluants sous débit nominal du filtre.
Les filtres les plus courants sont constitués d'une grille dont la maille est appropriée à la taille
des particules à retenir. Cette grille peut être constituée de différents matériaux: grillage,
feutre, papiers, synthétiques...
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8 Position des filtres dans les circuits:
Il y a plusieurs possibilités qui ont leurs avantages et inconvénients. Il est possible de
combiner plusieurs de ces possibilités.
Filtre pression
Filtre retour
Filtration en dérivation
Filtre air
Filtre aspiration
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8.1 A l'aspiration
Le filtre est installé avant la pompe.
Les crépines sont chargées de protéger les pompes des impuretés de gros calibre se trouvant
accidentellement dans le bac à huile. Elles sont jugées indispensable si l’on ne trouve pas
d’autres filtres.
Elles doivent être largement dimensionnées afin d’éviter que leurs pertes de charge ne
produisent une cavitation à l’aspiration des pompes et leur destruction rapide.
Elles sont immergées dans un bac et doivent se trouver nettement au dessous du plus bas
niveau d’huile, leur accès est souvent difficile et c’est un inconvénient pour la maintenance.
Elles seront situées le plus loin possible des orifices de retour, afin que l’huile aspirée soit
bien dégazée.
Les filtres à l’aspiration, bien que très répandus dans le passé, ne sont pas recommandés car
ils présentent de dangereux inconvénients :
Le colmatage de l’élément qui entraîne la cavitation et le grippage des pompes.
Un vacuomètre peut signaler la dépression du circuit, mais c’est un appareil très coûteux.
Les éléments filtrants sont toujours mal employés car on ne peut pas utiliser leurs possibilités
de rétention maximum des particules.
Afin de conserver une perte de charge minimum :
- Les surfaces filtrantes seront plus grandes,
- Le seuil de filtration ne devra pas être inférieur à 25 micromètres,
- Les éléments filtrants devront être changés très souvent.
Finesse de filtration usuelle : 125 µm
Le seul avantage de ce type de filtre est sa construction légère. En résumé, seules les crépines
sont recommandées à l’aspiration, quand elles sont utilisées correctement.
Doc. Hydac 1
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8.2 Au refoulement
Le filtre est installé après la pompe (ou avant une portion de circuit). On l’appelle filtre
pression.
Les pompes sont d’importantes génératrices de pollution, du fait qu’elles travaillent beaucoup
et s’usent plus que les autres composants.
Les avantages de ce système sont les suivants :
-
Bonne utilisation de la capacité de rétention de l’élément, meilleure autonomie,
encombrement réduit,
- Possibilité d’utiliser les indicateurs de colmatage et les by-pass,
- Protection efficace des composants hydrauliques, (fiabilité accrue, précision
conservée.
Finesse de filtration usuelle : 3, 5, 10, 20 µm
Il faut toujours tenir compte de la plus haute pointe de pression (coups de bélier, régime
plusatoire) pour déterminer des filtres.
Les éléments filtrants standards sont prévus pour résister à une différence de pression (amontaval du filtre) de 12 bars pour les consommables et 15 bars pour les métalliques.
Inconvénients : la pompe n'est pas protégée, ce qui impose une bâche confinée (c'est le cas
généralement). Les parois des filtres doivent supporter la pression du circuit, ce qui donne des
filtres volumineux, lourds et chers. Ils doivent être protégés contre le colmatage (voir §
suivant).
Doc. Hydac 2
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8.3 Au retour
Le filtre est installé sur les canalisations de retour d'huile.
Situés sur le retour au bac, ces filtres collectent les retours directs, le débit de fuite et parfois
le drainage des appareils, donc ils recueillent toute la pollution du circuit.
Le principal inconvénient de ce type de filtre est que la pression différentielle maximum de
l’élément est limitée à la pression de retour admissible (retour des distributeurs, joints de
bouts d’arbres des carters pompes, etc…). On se retrouve dans les conditions d’utilisation
identiques des éléments à l’aspiration, sauf que la pression peut être légèrement supérieurs
(environ 0.8 à 1 bar).
Il est nécessaire d’utiliser un clapet de by-pass, l’emploi d’un indicateur de colmatage est
recommandé et enfin, ces filtres peuvent être munis d’un orifice de remplissage du bac.
Les avantages de ce système sont les suivants :
-
Filtres de construction légère,
Maintenance aisée,
Filtration de la totalité du débit.
Finesse de filtration usuelle : 10, 20 µm
La principale précaution est de déterminer avec exactitude le débit de retour (ex :
section de vérin différentielle). Ces filtres doivent être largement dimensionnés en tant que
débit.
Il faudra bien veiller à ce que la tubulure de retour plonge correctement dans l’huile du
bac (env. : 100 mm mini.) afin d’éviter l’émulsion air-huile.
Cette solution efficace et économique est très souvent employée.
Doc. Hydac 3
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8.4 Filtre en dérivation
Ce système de filtration en parallèle au circuit principal permet :
-
-
La filtration continue de l’huile lorsque le circuit principal débite de façon intermittent et
que les pompes tournent à vide durant les temps morts.
De réaliser en appoint une dépollution importante du circuit,
De filtrer sans mettre en marche les pompes principales ce qui peut être intéressant à la
suite d’une intervention sur le circuit, de réchauffer et de filtrer l’huile après un arrêt
prolongé sur les grosses installations où les filtres sont montés en ligne avec un échangeur
de chaleur qui, de par sa conception, est souvent difficile à dépolluer.
Le cas échéant, d’avoir un volume minimum d’huile dans le circuit principal,
D’employer des filtres de débit inférieur au circuit principal (le débit ordinairement
recommandé est pour mémoire 5 à 10 fois le volume d’huile de l’installation par heure).
Les filtres de dérivation sont de construction légère et ils permettent l’emploi des indicateurs
de colmatage et des by-pass.
8.5 Filtres sur les circuits de servovalves
Ces circuits demandent une finesse de filtration de 3 à 1 micromètres.
Les servo-valves sont souvent équipés de filtres intérieurs protégeant les buses, mais lorsque
les tuyauteries d’alimentation sont très longues, il faut prévoir des filtres de sécurité.
Si le volume d’huile de l’installation est trop important, il est nécessaire de prévoir un petit
réservoir d’huile, filtrée à 3 micromètres, pour alimenter le circuit servo-valves.
8.6 Filtre à air
Lors des échanges d’air se produisant en fonctionnement, le filtre à air filtre l’air venant de
l’extérieur et évite ainsi la contamination de l’huile.
Il peut être associé avec un tamis de remplissage, comme cela l’huile neuve ajoutée sera
filtrée avant de pénétrer dans le réservoir.
Ce filtre devrait normalement se trouver sur tous les circuits hydrauliques.
Finesse de filtration usuelle : 3, 10 µm
Doc. Hydac 4
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9 Sécurité des filtres:
Il s'agit essentiellement d'une protection contre le colmatage. A force d'arrêter des particules,
le filtre finit par se boucher (se colmater) et il est nécessaire de le remplacer.
Si ce remplacement n'est accidentellement pas fait, les parois du filtre colmaté vont se
déchirer sous l'effet de la perte de charge ainsi occasionnée et toutes les particules accumulées
vont se déverser d'un coup dans le circuit; on imagine aisément la catastrophe que cela
représente !
Les protections courantes sont:
Les indicateurs de colmatage:
ils donnent une information lorsque la perte de charge provoquée par le colmatage devient
inacceptable. Cette information peut être un voyant, un contact géré par la partie commande ...
Doc. Hydac 5
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Les limiteurs de pression by pass:
dès que la perte de charge provoquée par le colmatage devient inacceptable, le débit
d'huile passe à côté du filtre.
Ce dispositif protège également le filtre lors des démarrages à froid, lorsque la viscosité de
l'huile est trop importante.
La plupart des filtres sont équipés de ce dispositif.
Les clapets anti-retour :
ils évitent un débit à contresens, ce qui provoquerait un retour des impuretés accumulées dans
le circuit. Cette protection est nécessaire en particulier pour les filtres au retour lorsque le
circuit peut (ou doit) "réaspirer" de l'huile (présence de vérins en particulier).
10 changement des filtres
changer systématiquement tous les éléments filtrants après un an de service
au signal « élément colmaté », changer immédiatement l’élément filtrant
prévenir toute entrée de particules solides dans le système hydraulique lors du changement de
l’élément filtrant. La pollution retenue doit pouvoir être drainée du corps du filtre ou éliminée
par récupération dans un récipient avant le changement de l’élément filtrant.
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