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Chapitre III : Circuits Hydrauliques

1 - coulement des fluides visqueux

1.1 - Dbit et puissance dans une conduite

1.1.1 - Dbit volumique dans une conduite

La zone hachure reprsente la rpartition des vitesses du fluide dans la conduite. Les vitesses ne sont pas

constantes dans la section S car le fluide "accroche" aux parois. On considre alors la vitesse moyenne Vm.

La relation entre le dbit volumique Qv, la surface de passage du fluide S et cette vitesse moyenne s'crit :

Qv = S. Vm

Units :

o Qv en m3/s

o S en m2

o Vm en m/s

On admet, en hydraulique industrielle, des vitesses dans les conduites de l'ordre de:

A l'aspiration : 0,5 1,5 m/s

Au refoulement : 2 8 m/s

Au retour : 2 4 m/s

Dans les drains : 0,5 2 m/s

1.1.2 - Puissance hydrostatique transmise par un fluide

Qv tant le dbit volumique et p la pression au point A alors la puissance hydrostatique transmise par le

fluide au point A s'exprime par:

Ph = p.Qv

Units :

o Qv en m3/s

o p en Pa

o Ph en W

1.2 - Effets de viscosit, pertes de charge

1.2.1 - Types d'coulements, nombre de Reynolds

C'est la faon dont s'coule un fluide, on distingue deux types d'coulements :

Le type laminaire pour lequel l'coulement du fluide est "calme" ; les lignes de courant (trajectoiresdes particules) restent stables et parallles entre elles.


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Le type turbulent pour lequel l'coulement est instable et alatoire. Il n'y a pas de lignes de courant(tourbillons, remous ...).

Dans un tube o se produit un

coulement laminaire, on

"trace" celui-ci avec une

aiguille injectant du colorant.

On constate que le colorantsuit une ligne de courant,

rgulire, caractristique des

coulements laminaires.

Mme chose ci-contre mais

avec un coulement

turbulent. Il n'y pas de ligne

de courant, les trajectoires

sont dsordonnes et

alatoires.

Le rgime turbulent se caractrise par une perte nergtique plus grande et une mission sonore

importante.

Le passage d'un type l'autre se fait de faon instable et imprvisible. On dfinit un nombre de Reynolds

permettant de donner approximativement la "frontire" entre ces deux types d'coulement. Cest le

Nombre de Reynolds :

Re = V.Dh /(nombre sans dimension)

O : V : vitesse moyenne du fluide

: viscosit cinmatique du fluide

Dh : diamtre hydraulique de la conduite dans le cas des conduites circulaires.

Si la conduite n'est pas circulaire, alors :

Dh = 4.S/U (S = surface de passage, U = primtre mouill)

Pour un tube hydrauliquement lisse on admet que lcoulement est:

laminaire si Re < 2000 turbulent si Re > 2300

La frontire 2000 < Re < 2300 est incertaine et caractrise l'apparition de l'coulement turbulent).

Notons que l'apparition du type turbulent est favorise par l'augmentation de la vitesse ou la diminution

de la viscosit.

1.2.2 - Viscosit dynamique

La viscosit est la proprit d'un fluide rsister sa dformation. Tous les fluides sont visqueux. Ondfinit la viscosit dynamique par la rsistance au cisaillement d'un film d'huile (figure ci-aprs).


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(unit: Poiseuille) est la viscosit dynamique du fluide intercal entre les deux plaques mobiles l'une par

rapport l'autre. F est la force ncessaire pour dplacer la plaque suprieure, v la vitesse de dplacementde cette plaque.

La valeur de la viscosit dynamique est significative, on peut comparer les valeurs de la viscosit de deux

fluides quelconques, contrairement la viscosit cinmatique.

1.2.3 - Viscosit cinmatique

Pour la plupart des huiles industrielles, on utilise une autre dfinition de la viscosit: la viscosit

cinmatique. Celle-ci est gale la viscosit dynamique divise par la masse volumique du fluide et

dsigne par la lettre .

= /

Cependant l'unit normalise (ISO) pour exprimer la viscosit cinmatique est le mm2/s.

La valeur de la viscosit cinmatique n'est pas significative, on ne peut comparer que les viscosits de

fluide ayant des masses volumiques semblables.

1.2.4 - Pertes de charge

Ds qu'il y a une chute de pression p entre la sortie et l'entre d'un systme, on dit qu'il y a perte de

charge.

Il existe 2 types de pertes de charges :

Les systmatiquesdans les canalisations simples:

o En rgime laminaire ;

o En rgime turbulent lisse ;

o En rgime turbulent rugueux.

Les singulires pour toutes les anomalies dans les circuits (tranglements, coude,).

Pertes de charge systmatiques en rgime laminaire :

La temprature influence la viscosit, elle influence donc aussi les pertes de charges.


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Pertes de charge systmatiques en rgime turbulent lisse :

Pertes de charge systmatiques en rgime turbulent rugueux :

Pour atteindre le rgime turbulent rugueux, il faut des vitesses d'coulement trs rapides donc inutilises

en transmission de puissance hydrostatique.

Pertes de charge singulires :


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2 - Gnration et distribution de lair comprim

2.1 - lhuile

Il existe 3 types de fluide :

les produits aqueux

les huiles de synthse

les huiles minrales

Les produits aqueux sont base d'eau. Tandis que les huiles de synthse qui sont les plus performants sont

obtenues parsynthse chimique partir de molcules de tailles homognes. Ces deux huiles (aqueux et de

synthse) sont surtout utilises pour des cas spcifiques.

Les huiles minrales sont de loin les plus utilises dans les transmissions de puissances hydrauliques. Elleest obtenue par transformation chimique du ptrole. On y ajoute trs souvent des additifs pour rpondre

des fonctions spcifiques assurer par le fluide.

Note :

Pour viter une usure prmature du fluide minral, on limite sa temprature en tout point du

circuit 60C ;

Le fluide minral est cancrigne.

Dsignation de l'huile minrale

La dsignation des huiles minrales est tablie partir de la norme ISO ASTM. (International Standard

Organisation American Society for Testing and Materials).

ISO catgorie classe
http://fr.wikipedia.org/wiki/Synth%C3%A8se_chimiquehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Synth%C3%A8se_chimique


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Classe :Il s'agit d'une classe de viscosit (viscosit cinmatique en mm2/s 40 C), on aura donc une valeur

mini et une valeur maxi autour de la valeur nominale. Il existe 7 classes : 15 ; 22 ; 32 ; 46 ; 68 ; 100 et 150.

Catgories :pour chaque classe il existe 5 catgories HH ; HL ; HM ; HV et HG allant de la plus simple la

plus labore :

HH : huile minrale brute

HL : HH + pouvoir anti-rouille + pouvoir anti-oxydation

HM : HL + pouvoir anti-usure

HV : HM + viscosit leve

HG : HM + anti-stick-lip (broutement)

2.2 - les pompes

Dans un circuit hydraulique, les pompes jouent un rle tout aussi important, lequel sapparente celui

jou par le cur chez ltre humain. En effet, la pompe permet de faire circuler, par lintermdiaire de

canalisations, un fluide hydraulique qui dplacera des charges grce des vrins ou des moteurs

hydrauliques. La pompe joue un rle de premier plan, car cest elle qui fournit lnergie dans un circuit

hydraulique.

Il existe deux sortent de pompes :

Les non volumtriques qui possdent un dbit lev mais irrgulier,

Les volumtriques qui sont gnratrices dun dbit qui peut tre fixe ou variable.

Nous traiterons par la suite les pompes volumtriques qui sont utilises en hydraulique industrielle.

Pompes hydrauliques volumtriques:

Les pompes hydrauliques volumtriques possdent une tanchit interne. Cela signifie que lorifice

dadmission est spar de celui de refoulement par des pices mcaniques rigides. Ltanchit interne

dune pompe volumtrique rend cette dernire apte tre utilise dans les circuits servant dplacer des

charges.

Il existe plusieurs types de pompe hydraulique volumtrique. Ces pompes diffrent les unes des autres par

leur dimension ainsi que par la quantit et nature de leurs pices mobiles internes. Malgr ces distinctions,

elles remplissent toujours essentiellement le mme rle, celui de faire circuler une quantit plus ou moins

grande de fluide. Les caractristiques de fonctionnement dune pompesont :

Cylindre (C : l/tour) :

La cylindre dune pompe hydraulique est le volume ou la quantit de fluide que celle-ci refoule par

rvolution.

Vitesse de rvolution (n : tr/min) :

La pompe est toujours accouple un moteur via un arbre daccouplement. Lorsque la pompe hydraulique

est entrane par un moteur lectrique, les vitesses sont de lordre de 1200 tr/min, 1500 tr/min ou 1800


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tr/min. Cependant, on doit respecter la vitesse nominale prescrite par le fabricant qui est la vitesse pour

laquelle une pompe a t conue.

Dbit (Q : l/min) :

On appelle dbit la quantit de fluide mise en mouvement en fonction du temps et il est calcul par :

Q = n C

Pression (p : Pa) :

Le rle dune pompe hydraulique est uniquement de crer un dbit. La pression dans un circuit

hydraulique est due la rsistance lcoulement que rencontre le fluide. La rsistance lcoulement

peut provenir dune force sur un vrin, dune charge sur un moteur ou dune restriction dans la tuyauterie.

Puissance (P : watt):

La puissance de sortie dune pompe se calcule par:

P = p Q 10-4

/ 6

Rendements volumtriques (volumtrique: %)

Le rendement volumtrique est le rapport entre le dbit d'huile rellement fourni par la pompe et le dbit

thorique. La chute de dbit est due aux fuites au niveau des jeux entre les pices de la pompe.

volumtrique= Dbit d'huile en fonctionnement /Dbit thorique

Rendements mcanique (mcanique: %)

Le rendement mcanique reprsente le pourcentage du couple qui est rellement transmis la pompe. Un

rendement mcanique de 90 % indique que 90 % du couple sont transmis la pompe et que les 10%

restants sont utiliss pour vaincre les forces de friction au niveau de la pompe.

mcanique= couple transmis la pompe /couple transmis par le moteur

Le rendement total (total : %)

Le rendement total d'une pompe hydraulique tient compte la fois des pertes volumtriques et des pertesmcaniques. Il est le rapport entre la puissance de sortie et dentre.

total = puissance de sortie / puissance dentre = volumtrique mcanique

Types de pompes :

Pompe engrenage externe

Fonctionnement : Elle est constitue de deux engrenages tournant lintrieur du corps de pompe. Le

principe consiste aspirer le liquide dans lespace compris entre deux dents conscutives et le faire

passer vers la section de refoulement


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Pompe engrenage interne

Fonctionnement : Ici, la pompe dispose dune pice intermdiaire en forme de croissant pour sparer

entre lentre et la sortie permettant ainsi de diminuer les fuites internes et dau gmenter la pression de

service.

Pompe palette

Fonctionnement : Un corps cylindrique fixe (stator) communique avec les orifices d'aspiration et de

refoulement. A l'intrieur se trouve un cylindre plein, le rotor, tangent intrieurement au corps de la

pompe et dont l'axe est excentr par rapport celui du stator. Le rotor est muni de 2 8 fentes

diamtralement opposes deux deux, dans lesquelles glissent des palettes que des ressorts appuient sur

la paroi interne du stator. Le mouvement du rotor fait varier de faon continue les diffrentes capacits

comprises entre les cylindres et les palettes en crant ainsi une aspiration du liquide d'un ct et un

refoulement de l'autre.


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2.3 - Distribution de lnergie hydraulique

Une distribution de puissance consiste vhiculer de l'nergie d'une source primaire un rcepteur, en

changeant ventuellement sa "forme" (lectrique, mcanique, hydraulique...) et ses caractristiques

(couple, vitesse, intensit...).

Dans les transmissions hydrostatiques, l'nergie primaire est mcanique (produite par un moteurlectrique, thermique ...) et l'nergie fournie au rcepteur est galement mcanique. Cette nergie est

transporte sous la forme dbit x pression , ce qui explique la grande facilit de contrle et de

rgulation que l'on a dans ces transmissions.


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Il va de soi que chaque transformation provoque une perte nergtique qui diminue le rendement global

de la transmission de puissance.

Les qualits d'une transmission de puissance en gnral peuvent tre les suivantes :

plage d'utilisation leve : c'est--dire la possibilit d'avoir des variations de vitesse et de couple

dans des proportions importantes tout en gardant un rendement lev sur cette plage ;

faible encombrement ;

fort rapport puissance/masse ;

fiabilit & maintenabilit

rapport cot/puissance initial faible

cot de fonctionnement rduit

2.4 - Canalisations

Organes de liaison entre les diffrents appareils dun circuit hydraulique. Les canalisations doivent rsister

la pression et aux agressions intrieures et extrieures. Elles sont dimensionnes de manire ne pas

engendrer de grandes pertes de charge. Ainsi, la slection des conduites hydrauliques seffectuevia desabaques et ce selon trois critres :

Le dbit quelles doivent porter.

La pression quelles doivent supporter.

La viscosit de lhuile.

Notons quIl existe deux types de canalisations :

Les rigides : Il s'agit le plus souvent de tube sans soudure vitant ainsi, lors du cintrage, de faire

apparatre des particules.

Les souples : Il s'agit d'lastomre renforc de fibres mtalliques soit en nappes soit en tresses, sur

plusieurs couches. ils permettent les raccordements entre diffrentes parties mobiles les unes par

rapport aux autres. Ils permettent galement des raccordements pour viter la transmission de

vibrations (pompe/machine par exemple).


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2.5 - Rservoir

Le rservoir a bien sr pour fonction principale de contenir la rserve d'huile ncessaire au fonctionnement

de l'installation, l'abri des polluants extrieurs. Il doit aussi assurer :

Le refroidissement du fluide par change direct avec l'extrieur.

La sparation des insolubles solides et liquides.

Notons qutitre tout fait indicatif on peut envisager une capacit (en l) de 3 5 fois l a quantit dhuile

refoule par la pompe en une minute.

3 - Organes de servitude

3.1 - Conditionnement de lhuile

3.1.1 - Filtres

Un grand nombre de pannes se produisant sur les installations hydrauliques proviennent du mauvais tat

du fluide hydraulique. En effet, lhuile sous pression, circulant dans linstallation, vhicule toutes sortes

dimpurets. Dans tous les cas, il faut absolument les liminer par filtration. Sinon, elles provoqueront despannes et une usure anormale des composants amenant ainsi des fuites.


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3.1.2 - control de pression

3.1.2.a - Limiteur de pression

C'est un appareil indispensable dans toute installation hydraulique, il sert protger les diffrents organes

d'une lvation de pression importante.

3.1.2.b - Rducteur de pression

Le rle du rducteur de pression est diffrent, il permet de limiter la pression dans toute une branche

d'une installation, cette pression tant bien sr infrieure la pression dlivre par la pompe. Le schma

est donc diffrent.


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3.1.3 - control de dbit

Le principe de fonction des appareils de control de dbit est de crer une perte de charge pour faire varier

le dbit en amont et en aval.

3.1.3.a - Limiteur de dbit (ou rducteur de dbit) :

Ce sont de simples tranglements sur une conduite. Leur conception est simple et leur prix faible. Laplupart sont unidirectionnels grce un clapet bipasse incorpor.

La particularit de ces appareils est que le dbit qui les traverse dpend de la perte de charge leurs

bornes. En d'autres termes, si la charge au rcepteur varie, la pression demande par son actionneur

change et donc le dbit varie galement.

Avec un limiteur de dbit, le dbit varie avec la charge entrane.

Pour remdier ce problme il faut utiliser un rgulateur de dbit.

3.1.3.b - Rgulateur de dbit:

Ils sont constitus de deux tranglements successifs, l'un est rglable par l'utilisateur, l'autre change

automatiquement en fonction des variations de pression pour conserver un dbit constant.

Avec un rgulateur de dbit, le dbit est indpendant de la charge.


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3.2 - Accumulateur

Leur rle est de stocker un certain volume de fluide sous pression pour le restituer en fonction des besoins.

Ils sont aussi utiliss pour les commandes d'urgence (terminer un mouvement, actionner un frein,) ou

pour amortir les chocs dans les dmarrages des installations.

Le principe est simple : une chambre deux orifices spars par un lment tanche. L'un des orifices est

reli au systme et l'autre permet le remplissage avant utilisation d'un gaz gnrant un contre effort. Le

gaz utilis est l'azote (gaz inerte).


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Srie de TD n 2

Exercice I :Pertes de puissance dans une conduite

On considre une conduite de 8 m de long permettant l'alimentation d'un moteur avec un dbit d'huile de35 l/min une pression de 220 bars. La perte de charge calcule est de: p/l = 2,3 bar/m de tuyau ( ce

dbit).

1. Dterminer la pression ncessaire l'entre de la conduite.

2. Dterminer la puissance calorifique dgage dans la conduite (frottements fluides).

3. Dterminer la perte de rendement imputable cette conduite.

Exercice II :Dtermination d'un diamtre de conduite

On dsire transmettre une puissance de 25 kW 200 bar dans une conduite de 20 m (pompe vers moteur).On ne veut pas une perte de charge dpassant 5 % en puissance. La viscosit de l'huile en fonctionnement

vaut : = 35 mm2/s avec une masse volumique : = 0,83 kg/dm

3.

Dterminer le diamtre de la conduite.

Exercice III :Dtermination d'un ensemble moteur / pompe pour une transmission

Une transmission hydrostatique est utilise pour entraner un tambour de treuil une vitesse : Nm = 65 5

tr/min (fig. ci-dessous). Le circuit hydraulique fonctionne une pression maxi de 315 bars. On considre

que les pertes mcaniques sont faibles devant les pertes volumtriques (= v).

1. Choisir parmi les cylindres relles suivantes celle qui convient le mieux pour le moteur hydraulique

: 200, 300, 400, 450, 500, 550, 600, 700 cm3

/tr.2. Dterminer alors la pression de fonctionnement du circuit.

3. Choisir parmi les cylindres relles suivantes celle qui convient le mieux pour la pompe hydraulique

: 22, 26, 30, 35, 40, 50, 60, 75 cm3/tr.

4. Dterminer les caractristiques du moteur ME (couple fourni et puissance nominale).

Exercice 4 :Dplacement d'une charge avec un vrin

On commande le distributeur de cette installation pour faire sortir la tige du vrin sous charge (F = 2500

daN) On freine la charge avec le limiteur de dbit sur lchappement. Le vrin a comme section: 80 50

et le limiteur de pression du groupe hydraulique est rgl pour souvrir 200bar.


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1. Dterminer les pressions dans les deux chambres au cours dun aller-retour de la tige du vrin.

2. Ce montage nest pas satisfaisant : pourquoi ? donner un nouveau schma avec un appareillage

plus adquat.

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