Créé le : 03/08/2009
SITUATION ACTUELLE Du fait des contraintes environnementales, de l'inflammabilité et de la forte viscosité des huiles à basse température, l'hydraulique à eau et les fluides écologiques suscitent de nombreux développements bien qu'actuellement, l'hydraulique à eau et les fluides spéciaux ne représentent que 5% du marché des fluides hydrauliques (figure 1). Ils cherchent avant tout à se rapprocher des avantages techniques de l'huile (lubrification et technologie mature) et à gommer les désavantages de l'hydraulique à eau : restriction d'emploi à basse température, risque de croissance bactérienne et nécessité d'employer des matériaux non corrodables. Pour l'hydraulique à eau, la recherche d'additifs, la passivation bactérienne, l'usure des joints, la modélisation et le développement de pompes à axe rotatif moins bruyantes sont les axes actuels de recherche. En ce qui concerne les fluides écologiques, les développements en cours visent les polyesters biodégradables et les méthodes rapides de caractérisation [1]. HYDRAULIQUE A EAU L'eau doit respecter les règles de tout système hydraulique : Propriétés d'emploi : transmission de la pression, réduction des frottements, diminution de l'usure, non corrosion du système, tenue aux températures de fonctionnement, Sécurité : tenue au feu, ininflammabilité, faible tension de vapeur, Environnement : biodégradabilité rapide, non toxicité. Son emploi a fait l'objet d'un guide technique récent : Aqua Drive System (2002), édité par la Japan Fluid Power Association. 1- ADDITIFS Par rapport aux autres fluides, l'eau présente de nombreux avantages tels que : bonne compatibilité avec l'environnement, non inflammabilité, non toxicité, disponibilité et faible coût. Par contre, son faible pouvoir lubrifiant, l'érosion et la cavitation des composants du circuit et les phénomènes de cavitation et de croissance microbienne freinent son emploi. Le congrès de Tampere a démontré l'emploi d'eau chargée de peu d'additifs aux basses pressions et même jusqu'à 200 bar, ceci jusqu'à des températures de moins 60°C et sans usure des composants avec en plus sur le circuit une filtration et un traitement UV. Kemira Chemicals Oy a breveté un fluide baptisé HYDRAULIUM. En général, on emploie un sel d'acide faible avec un cation de Z élevé, en veillant à avoir l'un des deux bactéricide. Le produit de solubilité fait que même avec de faibles concentrations, on modifie les ponts hydrogène de l'eau donc ses propriétés. Parmi les cations bactéricides, on peut citer le zinc et l'argent, pour les anions : les borates, les chlorures d'acides. Pour compléter le liquide, il faut ajouter des antimousses, des produits texturants et des antigels. L'industrie des peintures et celles des céramiques pour les mises en barbotines, connaissent ces problèmes. (6 à 30 bars pour un pot de peinture sous pression). Une transposition devrait être possible. En France la société Coatex travaille pour ces industries [2], [3]. 2- USURE Les travaux présentés à Tampere montrent que, pour diminuer l'usure des pompes en hydraulique à eau, les meilleurs couples de frottements sont obtenus avec des contacts métal/plastique (coefficient de frottement 0,16). Le revêtement plastique est constitué de PEEK, graphite, PTFE et fibre de carbone (ces revêtements effectués par projection thermique, peuvent être réalisés par poudrage électrostatique). Les contacts céramique/céramique sont intéressants mais présentent un coefficient plus élevé 0,3 (ces revêtements sont réalisés par projection thermique). Les meilleures solutions sont les couples alumine oxyde de titane/alumine et oxyde de chrome, nickel chrome/alumine. Dans les deux cas, la charge est de 700N [4], [5]. 3- MODELISATION HYDRAULIQUE EAU La modélisation devient plus accessible aux PME. Les gros logiciels de maillage tels Fluent, qui travaillaient sur station dédiée sont maintenant sur PC. On dispose de modèles et de briques toutes faites et beaucoup d'éléments sont pré-étudiés, ce qui permet d'envisager la conception. On commence par un calcul statique préalable. Si on a trois éléments dans la boucle, on procède à la comparaison des éléments deux par deux pour atteindre le produit cible. Figure 2 : comparaison 2 à 2 des éléments pour atteindre le produit-cible Ces différentes incrémentations permettent de voir si la cible du produit visé est atteinte. En cas contraire, on reprend les calculs avec des produits existants alternatifs. Lorsque tout est validé, on procède à une simulation dynamique complète de la machine. Là encore, on vérifie que la cible est atteinte, sinon on procède à une modification et à de nouveaux calculs. Cette méthode, si elle nécessite un investissement en personnel et informatique, permet d'engranger des connaissances et au bout d'une courte période de gagner du temps sur les développements en cours [6], [7], [8],[9], [10], [11], [12]. Figure 3 : système itératif de modélisation en hydraulique à eau 4 - MATERIEL Le nombre de développements de matériels est important, mais en aucun cas on ne trouve de sous-ensembles pouvant fonctionner en hydraulique à eau ou à huile par changement de garniture ou accessoire. Les développements portent sur différents axes: La conception de formes pour éviter la cavitation (vannes et pompes), La diminution du bruit : pompe à axe rotatif, utilisation de volumes de précompression, optimisation de la forme qui peut atteindre une diminution de 6 dB(A), La régularité de débit (augmenté de 75%), l'accumulation de puissance et la transformation de puissance. La diminution des coûts par l'utilisation de polymères, de composites et la fabrication par pultrusion pour des pressions jusqu'à 30b. Dans tous les cas, ces améliorations s'accompagnent d'un contrôle optimisé et informatisé. Les vannes sont pilotées par des capteurs piézo-électriques [13], [14], [15]. FLUIDES ECOLOGIQUES Le gouvernement Allemand avait initié un vaste programme d'utilisation d'huiles végétales. Les travaux ont été exposés à Tampere [1]. Ils portent essentiellement sur l'estérification des huiles de tournesol et de colza (figure 4). Cette technique, déjà utilisée pour les additifs pour diesel, a été réalisée avec les acides gras des huiles et un autre polyalcool. Les tests complets effectués en laboratoire ont monté un comportement analogue à celui des huiles minérales, que ce soit pour : L'oxydation en fonction de la température ou de l'influence catalytique des métaux,, L'influence de la pression, de la température et de l'humidité sur la viscosité Le pouvoir lubrifiant, L'évolution de la constante diélectrique. Ces huiles végétales ont été testées dans de nombreux secteurs de l'industrie (figure 5). Figure 4 : Estérification des huiles de tournesol et de colza Figure 5 : Secteurs où ont été testés les fluides écologiques Le coût, et la nécessité d'employer la bonne référence et de surveiller les conditions d'utilisation pour éviter les problèmes liés au vieillissement, freinent encore la généralisation de leur emploi. Du fait de l'évolution des législations, on devrait voir dans un premier temps des mélanges d'huile minérale et végétale. Références : [1] Trends in the developpement and use of environmentally friendly ester fluids (H. Murrenhoff, Aachen University), SICFP 2003, Vol 1, p.1-20. [2] Current understanding of pressure medium quality and quality control in water hydraulics (H Riipinen, S Soini Tampere University), SICFP 2003, Vol 1, p.89-104. [3] Water traitement in hydraulic systems for use in industrial application with critical demands for high microbial water quality (Uffe Thomsen, Danish Technological Institute), SICFP 2003, Vol 1, p.105-115. [4] Investigation on materials for friction pairs in water hydraulic piston pump (Sujuan Jiao, Zhejiang University), SICFP 2003, Vol 1, p.411-419. [5] Cavitation resistance water hydraulic pressure relief valve (T. Liukkunen, Tampere University, Bosch Rexroth), IFK Aachen 2002, T3 vol.1, p.255-266. [6] On the control of electrohydraulic systems- Some recent research contributions. (K A Edge, University of Bath), SICFP 2003, Vol 1, p.31-59. [7] Cavitation model development in CFD software (A. Müller, CFX Berlin Software), IFK Aachen 2002, T3 vol.1, p.327-330. [8] Modeling of an axial piston pump for pressure ripple analysis (P. Casoli, University of Parma), SICFP 2003 Vol 1,p.207-221. [9] CFD-modeling of a water hydraulic poppet valve - comparaison of different modeling parameters. (T. Leino, Tampere University), SICFP 2003, Vol.1, p.277-286. [10] Friction phenomena in a water hydraulic cylinder at low pressure levels (L. Laitinen) Helsinki University), SICFP 2003, Vol. 1, p.421-431. [11] Water hydraulic spool valve - Analytical equations for calculing laminar leakage flows. (M. Lakkonen, Tampere University), SICFP 2003, Vol.1, p.433-448. [12] Using dynamic simulation in the developpement of construction machinery (R. Fila Volvo Sweden, J. Palmberg, Linkoping University), SICFP 2003, Vol.1, p.651-667. [13] Adaptative on/off position control of low-pressure water hydraulic cylinder (M. Linjma, KT. Koskinen, Tampere University), IFK Aachen 2002, T3 vol.1, p.303-314. [14] New type of reversible, inversible, variable hydraulic pump/motor. (A. Stroganov, Lumex Ltd St Petersburg), SICFP 2003, Vol. 1, p.239-251. [15] Development of a piezoelectric pilot stage valve for water hydraulic applications. (P. Hantke, Aachen University), SICFP 2003, Vol.1, p.253-264. Abréviation des références : SICFP : Scandinavian International Conference on Fluid Power IFK : International Fluid Power Conference Note de veille rédigée par Bernard Hansz (BHK Consulting), Christophe Malavolta (HMi) et Jean-Marc Bélot (Cetim).