359 S- Base hyd présentation

BASES HYDRAULIQUES

PRESENTATION DE L'HYDRAULIQUE

Centre de Perfectionnement FRANCIS MONNOYEUR

Codification 359 S

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TABLE DES MATIERES

PRESENTATION - LOIS GENERALES ........................................................................................................................................ 1 Hydraulique................................................................................................................................................................................ 1 L'hydraulique dans le langage courant ...................................................................................................................................... 2 Utilisation de l'hydraulique ......................................................................................................................................................... 6 Composition d'un circuit ouvert simple....................................................................................................................................... 7 Composition d'un circuit fermé simple ....................................................................................................................................... 9 Avantages de l'hydraulique...................................................................................................................................................... 11 Inconvénients de l'hydraulique................................................................................................................................................. 12 LE DEBIT..................................................................................................................................................................................... 13 Définition.................................................................................................................................................................................. 13 Comment créer un débit .......................................................................................................................................................... 14 Débit créé par un réservoir en charge ..................................................................................................................................... 15 Débit créé par le déplacement d'un piston dans un cylindre.................................................................................................... 16 Débit créé par une pompe volumétrique entraînée mécaniquement ....................................................................................... 17 Exercices sur les relations entre débit, vitesse d'écoulement et section................................................................................. 18 LA MESURE D'UN DEBIT........................................................................................................................................................... 21 Définition.................................................................................................................................................................................. 21 Exemple de débitmètre à ∆P ................................................................................................................................................... 22 Exemple de débitmètre à turbine ............................................................................................................................................. 23 Exemple de débitmètre à tiroir ................................................................................................................................................. 25 Montage d'un débitmètre en série dans le circuit..................................................................................................................... 26 Montage d'un débitmètre en parallèle dans le circuit ............................................................................................................... 27 Montage d'un débitmètre en série vers le réservoirt ................................................................................................................ 28 Contrôle de débit par la méthode du temps de cycle............................................................................................................... 29 Débit reel, débit corrigé............................................................................................................................................................ 30 Le taux de fuite ........................................................................................................................................................................ 31 LA PRESSION............................................................................................................................................................................. 33 Définition.................................................................................................................................................................................. 33 Classification des pressions..................................................................................................................................................... 34 Principe de Pascal ................................................................................................................................................................... 35 Les différents moyens de créer une pression, la pression hydrostatique ................................................................................ 36 Principe de Pascal dans un circuit hydraulique........................................................................................................................ 41 Force mécanique ..................................................................................................................................................................... 42 Conclusions ............................................................................................................................................................................. 43 LA MESURE D'UNE PRESSION................................................................................................................................................. 44 Définition.................................................................................................................................................................................. 44 Le manomètre à aiguille .......................................................................................................................................................... 45 Plage de lecture d'un manomètre ............................................................................................................................................ 46 Exemple de robinet d'isolement............................................................................................................................................... 47 Exemple de prise rapide de pression....................................................................................................................................... 48 Exemple de prise rapide de pression....................................................................................................................................... 49 Le manomètre électronique ..................................................................................................................................................... 50 Exemple de relevé effectué avec un manomètre électronique ................................................................................................ 52 Exemple de mano-contact ....................................................................................................................................................... 53 LES PERTES DE CHARGES ...................................................................................................................................................... 54 Définition.................................................................................................................................................................................. 54 Les pertes de charges distribuées ........................................................................................................................................... 55 Les pertes de charges à travers les filtres ............................................................................................................................... 59 Ecoulement et pertes de charges ............................................................................................................................................ 60 Conclusion ............................................................................................................................................................................... 61 Le nombre de Reynolds........................................................................................................................................................... 62 Exercice application numérique ............................................................................................................................................... 63 LA PUISSANCE .......................................................................................................................................................................... 64 Relation générale..................................................................................................................................................................... 64 Relation hydraulique ................................................................................................................................................................ 65 La puissance mécanique à partir de la puissance hydraulique................................................................................................ 66 Représentation de la puissance............................................................................................................................................... 67 Représentation de la puissance............................................................................................................................................... 68 LE RENDEMENT......................................................................................................................................................................... 69 Définition.................................................................................................................................................................................. 69 Définition du rendement mécanique ........................................................................................................................................ 71 Le rendement mécanique d'un récepteur ................................................................................................................................ 73 Le rendement volumétrique ..................................................................................................................................................... 74 Le rendement volumétrique d'une pompe................................................................................................................................ 75 Le rendement volumétrique d'un récepteur ............................................................................................................................. 76

Rédigé par : Jean Didier TURLAN

Vérifié par : Roger LECULLIEZ

Approuvé par :


PRESENTATION - LOIS GENERALES Hydraulique

DEFINITION DU DICTIONNAIRE "LAROUSSE"

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PRESENTATION - LOIS GENERALES L'hydraulique dans le langage courant

L'hydraulique concerne l'étude des circuits d'eau. Un abus de langage a étendu cette appellation à l'étude des circuits d'huile en remplacement du terme oléolique.


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PRESENTATION - LOIS GENERALES


L'hydraulique et ses applications

L'hydraulique se divise en trois applications. - l'hydrostatique qui étudie les propriétés des liquides au repos et à faible vitesse, (0 à 20 m/s). La pression est le paramètre dominant de la puissance, la vitesse d'écoulement est généralement faible. - l'hydrodynamique qui étudie les propriétés des fluides en mouvement à hautes vitesses, (environ 100m/s). Un fluide en mouvement est caractérisé par son débit (qui détermine une vitesse d'écoulement dans une section de passage) sous une certaine pression. Le débit est le paramètre dominant de la puissance, la pression est généralement faible. - l'hydrocinétique qui étudie l'énergie libérée par l'impact d'un fluide se déplaçant à très haute vitesse. La densité du fluide est un facteur important.

HYDRAULIQUE

HYDROSTATIQUE

HYDRODYNAMIQUE

HYDROCINETIQUE Centre de Perfectionnement Francis Monnoyeur

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PRESENTATION - LOIS GENERALES L'hydraulique et ses applications

L'hydrostatique L'hydrostatique est l'application de l'hydraulique utilisée pour faire fonctionner à très faible vitesse des vérins et moteurs.


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PRESENTATION - LOIS GENERALES L'hydraulique et ses applications

L'hydrocinétique L'hydrocinétique est l'application de l'hydraulique utilisée pour faire fonctionner les convertisseurs (élément d'une chaîne cinématique de transmission).


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PRESENTATION - LOIS GENERALES Utilisation de l'hydraulique

L'hydraulique est un moyen pratique de transformer et de transporter l'énergie. L'hydraulique est capable de transmettre un mouvement sous un effort dans un temps, donc une puissance.

ENERGIE -MECANIQUE

ENERGIE HYDRAULIQUE

ENERGIE MECANIQUE

ELECTRIQUE


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PRESENTATION - LOIS GENERALES Composition d'un circuit ouvert simple

Un circuit est dit ouvert lorsque le débit de la pompe retourne dans le réservoir en fin de circuit. Un circuit hydraulique ouvert se compose: * d'un réservoir pour stocker de l'huile, * d'une pompe pour créer un débit d'huile, * d'une protection pour limiter l'évolution de la pressions, * d'un ou plusieurs distributeurs pour diriger l'huile dans les différentes parties du circuit, * d'un ou plusieurs récepteurs, - un ou plusieurs vérins , pour obtenir un ou des mouvements linéaires, - un ou plusieurs moteurs pour obtenir un ou des mouvements rotatifs, * d'un filtre pour arrêter les particules d'usure ou de pollution véhiculées par l'huile. Il existe deux type de circuits ouverts Circuit ouvert à centre ouvert (distributeur). Au neutre, installation au repos, si le débit peut traverser le distributeur et aller au réservoir, le circuit est dit à centre ouvert. Circuit ouvert à centre fermé (distributeur) Au neutre, installation au repos, si le débit est arrêté par le distributeur, le circuit est dit à centre fermé.


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PRESENTATION - LOIS GENERALES Composition d'un circuit ouvert simple


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PRESENTATION - LOIS GENERALES Composition d'un circuit fermé simple

Un circuit est dit fermé lorsque le débit de la pompe alimente un moteur hydraulique, le retour du moteur est ré aspiré par la pompe. Ce type de circuit généralement dit à boucle fermée. Un circuit hydraulique fermé se compose d'un circuit de puissance et d'un circuit annexe destiné à pallier des problème de fonctionnement Le circuit de puissance se compose: * d'un réservoir pour stocker de l'huile, * d'une pompe de puissance pour créer un débit d'huile d'alimentation du moteur, * d'un moteur hydraulique pour obtenir un mouvement rotatif, * de protections contre les pressions élevées, * d'une pompe de gavage, Le circuit annexe se compose: * de clapets de gavage, * d'un système de prélèvement d'huile et de réfrigération, * d'un filtre pour arrêter les particules d'usure véhiculées par l'huile.


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PRESENTATION - LOIS GENERALES Composition d'un circuit fermé simple


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PRESENTATION - LOIS GENERALES Avantages de l'hydraulique

On peut citer comme avantages : L'Hydraulique a remplacé les trains de pignons, les arbres de transmission, les treuils, les câbles... La conception des machines et la conduite ont été profondément modifiées, entraînant une amélioration considérable des performances. Parmi les avantages procurés par l'hydraulique, on peut citer : - Souplesse de fonctionnement. - Précision de commande. - Rapidité de réponse. - Limitation du fonctionnement en limite de l'effort maximum autorisé. - Protection possible pour diminuer l'influence des chocs extérieurs sur les équipements. - Moins d'inertie. - Possibilité de variation continue de vitesse et d'inversion de sens de marche. - Transformation du mouvement rotatif en linéaire et vice versa. - Commande à distance facile à réaliser: par circuit de pilotage hydraulique, pneumatique, électrique. - Protection des utilisateurs grâce à la commande à distance. - Réalisation possible d'automatismes (pilotage pneumatique, hydraulique, électrique) par logique câblée, automate programmable ou micro-ordinateur. - Facilité de montage (les plaques de bases normalisées se développent de plus en plus). - Des commandes n'opposant qu'un effort minime suffisent à assurer les manœuvres souhaitées. - Transmission de forte puissance sous encombrement réduit. - Protection des équipements contre les surcharges. - Composants lubrifiés par le fluide. - Entretien courant facile.


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PRESENTATION - LOIS GENERALES Inconvénients de l'hydraulique

On peut citer comme inconvénients : * technologie complexe requérant des intervenants qualifiés * composants capables de résister à de fortes pressions * propreté absolue, l'hydraulique ne doit pas être polluée * drainage de certains composants pour récupérer les fuites * risque d'air dans les circuits entraînant une élasticité dans les fonctionnements et des échauffements. * diagnostic complexe * nécessité d'utiliser des outillages spécifiques. * risque d'incendie. * effet Diesel (explosion des matières combustibles par action de la chaleur en présence d'air). L'hydraulique moderne est complexe, elle utilise de plus en plus un environnement électrique et électronique. Cette complexité demande des compétences à tous les niveaux, concepteurs, utilisateurs et personnels d'entretien.


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LE DEBIT Définition

Un débit est une quantité (en hydraulique un volume d'huile) passant en un point d'un circuit pendant un certain temps. Débit (m3/s) = Volume (m3) / Temps (s) L'unité légale pour exprimer le débit est le mètre cube par seconde. Les débits courants mesurés sur nos matériels étant faibles, on préfère employer un sous-multiple : le litre par minute. Débit (l/min) = Volume (l) / Temps (min) REMARQUE : Les Anglo-saxons expriment parfois les débits en : - G.P.M. = gallon U.S. par minute = 3,785 litres par minute - G.P.M. = gallon impérial par minute = 4,55 litres par minute. - 1 l/mn = 0,264 gallon U.S. par minute REMARQUE: Débit =

Volume / Temps $"""%"""& Débit = (Section x Longueur) / Temps """ """! Débit = Section x vitesse


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LE DEBIT Comment créer un débit

Un débit peut être créé par différents moyens adaptés au fonctionnement d'une machine mobile.


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LE DEBIT Débit créé par un réservoir en charge

Dans ce cas le débit est fonction, d'une part, de la grosseur de l'orifice et, d'autre part, de la hauteur de charge (H). AVANTAGES : Système simple, sans intervention mécanique. INCONVENIENTS : Le débit n'est pas constant puisqu'il dépend de la hauteur de charge (H), valeur qui diminue au fur et à mesure que le réservoir se vide. Le fonctionnement est relativement court car il dépend de la capacité du réservoir et du diamètre de l'orifice. UTILISATIONS : Alimentation d'un circuit à faible débit et basse pression, par ex. : l'alimentation d'un carburateur de moteur à explosion (moteur de lancement), château d'eau.


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LE DEBIT Débit créé par le déplacement d'un piston dans un cylindre

Le débit est fonction, d'une part du diamètre du cylindre et, d'autre part, de la vitesse d'avancement du piston. AVANTAGES : Le débit sera rigoureusement proportionnel à la vitesse de déplacement du piston. INCONVENIENTS : Fonctionnement éphémère ou intermittent, puisqu'il est interrompu en fin de course du piston. Nécessité de 2 clapets pour le remplissage du cylindre. UTILISATION : Pompe d'amorçage à fuel, pompe à main de presse hydraulique, pompe d'injection.


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LE DEBIT Débit créé par une pompe volumétrique entraînée mécaniquement

Le débit est fonction de la dimension de la pompe (cylindrée) et de sa vitesse de rotation. AVANTAGES : Débit proportionnel à la vitesse de rotation. Bon rendement. INCONVENIENTS : Nécessité d'un liquide très propre. Sensibilité aux prises d'air à l'aspiration. Sensibilité à la cavitation. EXEMPLE DE POMPES : - les pompes à engrenages. - les pompes à palettes. - les pompes à pistons.


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LE DEBIT Exercices sur les relations entre débit, vitesse d'écoulement et section

Un moteur tournant à plein régime entraîne une pompe hydraulique. Cette pompe débite dans un vérin de 1m de longueur, qui se remplit en 5 secondes. Quelle est la vitesse V de déplacement de la tige du vérin ?

L (m) x 60 =V (m/min) t (s)

1 x 60 = 12m/min 5

On fait tourner le moteur de l'exercice précédent à mi-régime. En combien de temps le vérin se remplit-il et quelle est sa vitesse de déplacement ?

En deux fois plus de temps, soit 10 secondes La vitesse de déplacement est proportionnelle au régime de rotation de la pompe


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Un moteur tournant à plein régime entraîne une pompe hydraulique. Cette pompe débite dans un vérin de 1m de longueur, qui se remplit en 5 secondes.

Comment faut-il modifier le vérin pour que la vitesse de déplacement soit conservée lorsque la pompe est entraînée à demi- régime?

Il faut que la section soit deux fois plus petite ATTENTION : SECTION ≠ DIAMETRE


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Un moteur tournant à plein régime entraîne une pompe hydraulique. Cette pompe débite dans un vérin de 1m de longueur, qui se remplit en 5 secondes.

Le même moteur, tournant à plein régime entraîne une pompe de cylindré double. Le vérin étant le même, quelle sera sa vitesse de sortie et le temps de déplacement?

2.5 secondes (2 fois plus rapide) Conclusion : La vitesse du vérin = Débit de la pompe / Section du vérin


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LA MESURE D'UN DEBIT Définition

Un débit peut se mesurer de plusieurs manières - en utilisant un débitmètre, - en mesurant un temps de cycle. - en mesurant un volume déversé dans un bac pendant un temps donné. LE DEBITMETRE Le débitmètre indique le débit de l'huile qui le traverse en mesurant la vitesse du fluide à travers une restriction connue. Différentes technologies sont utilisées pour mesurer le débit. - ( ∆P), par mesure de la ∆P de chaque côté d'une restriction. - (turbine), par mesure de la vitesse de rotation d'une turbine entraînée par l'huile. - (tiroir), par mesure d'une force hydraulique consécutive à une ∆P sur une restriction. - (comptage de particules), par mesure de la vitesse de passage de particules contenues dans l'huile à travers un tube de référence. LE TEMPS DE CYCLE La mesure du temps mis pour déplacer un récepteur connu sur une longueur connue permet de calculer le débit qui l'alimente. DEBIT = (SECTION X LONGUEUR) / TEMPS LE VOLUME DANS UN BAC Le volume écoulé dans un bac pendant 1 minute ou une fraction de minute permet de mesurer un débit faible. Ce moyen convient pour mesurer des débits de fuite ou de drainage. UTILISATION D'UN DEBITMETRE L'utilisation du débitmètre est la solution la plus fiable pour mesurer un débit. Le débitmètre permet un contrôle sans contrainte de temps. Le débitmètre peut être installé provisoirement pour le contrôle ou à demeure. Le débitmètre peut être installé en différents points d'un circuit, ce qui permet de contrôler plusieurs fonctions (débit pompe, alimentation de vérin ou moteur...). Le débitmètre exige un montage soigné résistant à la pression et offrant un minimum de pertes de charges. Le montage doit être fait avec le maximum de propreté pour éviter la pollution du circuit. En règle générale, il doit être placé sur une tuyauterie ou flexible droit, de l'ordre de 30 cm avant et après, pour éviter les perturbations par les turbulences.


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LA MESURE D'UN DEBIT Exemple de débitmètre à ∆P

Le principe consiste à mesurer la ∆P aux bornes d'un clapet anti-retour en fonction de la section de passage. Les deux informations sont amenées au boîtier par deux flexibles capillaires H.P. sans aucun signal électrique. Les deux informations sont traduites directement en débit par un manomètre différentiel. La conception en paroi mince du clapet le rend peu sensible à la viscosité. Cette technologie n'autorise qu'un seul sens de passage.


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LA MESURE D'UN DEBIT Exemple de débitmètre à turbine

Le principe de fonctionnement est basé sur la mesure de la vitesse de rotation (par un capteur magnétique) d'une turbine entraînée par le flot d'huile à travers un orifice calibré. L'information est transmise à travers un câble électrique sur un boîtier; l'affichage se fait sur un écran. Certains constructeurs ont prévu la mise en mémoire des valeurs et la possibilité de restitution sur imprimante. Les valeurs peuvent être enregistrées sous forme de tableaux ou de courbes, ce qui permet de suivre l'évolution du débit dans le temps. Le système peut fonctionner dans les deux sens de débit.


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LA MESURE D'UN DEBIT Exemple de débitmètre à turbine


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LA MESURE D'UN DEBIT Exemple de débitmètre à tiroir

Le principe de fonctionnement est basé sur la mesure du déplacement du tiroir qui est proportionnel au débit de passage. L'information de déplacement est transformée électroniquement pour indiquer le débit sur l'affichage du boîtier. Les mesures peuvent être restituées sur une imprimante.


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LA MESURE D'UN DEBIT Montage d'un débitmètre en série dans le circuit

Le débitmètre est intercalé dans le circuit, en sortie de pompe. Le montage est simple, le fonctionnement du système n'est pas modifié, (mouvement, régulation, protection). Un contrôle en charge peut se faire en utilisant les possibilités de la machine, en ajustant la course d'un tiroir ou à pression maximum.


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LA MESURE D'UN DEBIT Montage d'un débitmètre en parallèle dans le circuit

Le débitmètre est installé sur un raccord en T en sortie de pompe. Circuit au neutre, le fonctionnement n'est pas modifié. Pour effectuer un contrôle, le débit de la pompe doit être bloqué sur un mouvement, le débit passe alors par le débitmètre. Un essai sous pression oblige à installer une restriction réglable. La pompe reste protégée par la protection du circuit.


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LA MESURE D'UN DEBIT Montage d'un débitmètre en série vers le réservoirt

Le débitmètre est alimenté par la pompe, le débit est ensuite renvoyé au réservoir, éventuellement en passant par un filtre. Un contrôle sous pression oblige à installer une restriction réglable, appelée plus couramment vanne pointeau (attention aux résiduelles). Le fonctionnement du système est interrompu, les informations pour la régulation peuvent manquer. La pompe n'est plus protégée contre les hautes pressions, (attention au réglage de la restriction).


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LA MESURE D'UN DEBIT Contrôle de débit par la méthode du temps de cycle

La méthode du temps de cycle permet une estimation rapide sans intervention sur la machine. Le temps de cycle est le temps mis par un vérin pour parcourir une course complète, entrée ou sortie Le temps de cycle est le temps mis par un moteur pour effectuer un certain nombre de tours ou effectuer le déplacement d'une machine sur une distance déterminée. Le temps de cycle mesuré est correct, le débit est considéré correct. Le temps de cycle est supérieur à la spécification, le débit est faible. Le temps de cycle est inférieur à la spécification, le débit est important. Le temps de cycle est théorique, il est déterminé par: - La cylindrée de la pompe, Pour une pompe à cylindrée variable, la cylindrée prise en compte est la cylindrée maxi de la pompe, soit en travaillant à faible pression ou en neutralisant la régulation. - Le régime de rotation moteur / pompe Le régime moteur est généralement au maximum, (conditions normales de travail). - Le volume ou la cylindrée du récepteur. Le volume d'un vérin est calculé à partir des ses dimensions ou fourni par le constructeur. La cylindrée d'un moteur est fournie par le constructeur. Le débit peut être calculé par la relation; Débit = Volume du vérin Temps Débit = Cylindrée x Vitesse de rotation Temps


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LA MESURE D'UN DEBIT Débit reel, débit corrigé

Le débit d'une pompe indiqué par un constructeur dans les spécifications tient compte: - de la cylindrée, - du régime de rotation, - de la pression . Pour comparer les relevés effectués sur machine avec les spécifications, il faut: - verrouiller éventuellement la cylindrée de la pompe, - effectuer les relevés à la pression préconisée, - relever simultanément le débit et le régime pour pouvoir effectuer un calcul de correction. Il faut convertir le débit relevé en débit corrigé pour tenir compte du régime de spécification. Débit corrigé = débit réel x régime de référence régime lu Débit de pompe en cylindrée maxi

Spécification à 2200 tr/min : 473 l/min à vide ,435 l/min en charge (pression maxi) Sur machine à vide: Débit réel : 479 l/min Débit corrigé : 464.6 l/min Débit corrigé = débit réel x RPM spé = 479 x 2200 = 464.6 RPM machine 2268


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LA MESURE D'UN DEBIT Le taux de fuite

Pour connaître l'état d'une pompe, il est nécessaire d'effectuer deux relevés de débit: - un relevé de débit (corrigé) à pression nulle, - un relevé de débit (corrigé) à pression élevée. Le débit à vide correspond au débit maxi de la pompe: - en cylindrée maxi, - sous pression la plus faible possible pour limiter les fuites (spécifiée par le constructeur) - au régime maxi, (relevé pour effectuer la correction). Le débit en charge correspond au débit de la pompe: - en cylindrée maxi, (régulation neutralisée), - sous pression demandée par le constructeur, - au régime maxi, (relevé pour effectuer la correction). La différence de débit correspond aux fuites vers le carter et aux fuites entre admission et refoulement.


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LA MESURE D'UN DEBIT Le taux de fuite

Le taux de fuite, exprimé en pourcentage, est un moyen d'exprimer l'importance des fuites, donc l'état de la pompe. Le taux de fuite est obtenu par calcul: Débit à vide corrigé - débit en charge corrigé x 100 débit à vide corrigé Le taux de fuite n'est exploitable que si la pression de charge est connue

Débit réel (l/min) 479.5 475 460 447 410 368

Pression (bar) 0 50 100 150 200 250

RPM (tr/min) 2268 2257 2230 2211 2068 1919

Débit corrigé (l/min) 2200tr/min 464.6 463 453.8 444.7 436.2 421.9


Taux de fuite (%) 0.34 2.32 4.28 6.11 9.20

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LA PRESSION Définition

L'unité légale pour exprimer la pression est le Pascal. Les pressions utilisées sur le matériel sont importantes par rapport au Pascal, on préfère employer un multiple: le kPa Le bar est une ancienne unité encore utilisée par habitude Pression en bar = Force en déca Newton / Surface en centimètre carré 1 bar = 100000 Pa = 100 kPa Pression en kg/cm² = Force en kilogramme / Surface en centimètre carré 1 kg/cm² = 98066 Pa = 0,981 bar 1 bar = 1,02 kg/cm² - Unités anglo-saxonnes : Pression en pound par square inch (pouce carré) : P.S.I.= "Force" en pound = 453,6 g Surface en pouce carré 6,452 cm² 1 PSI = 6895 Pa = 6,895 kPa = 0,0689 bar = 0,0703 kg/cm² 1 bar = 14,5 PSI 1 kPa = 0,145 PSI Interprétation des pressions. La pression atmosphérique=760mm de mercure=10,33m d'eau=1,033kg/cm²=1,013bar=101 331Pa La pression relative : Cette pression est celle indiquée par les manomètres, elle ne tient pas compte de la pression atmosphérique. La pression absolue : Cette pression est égale à la pression relative plus la pression atmosphérique.


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LA PRESSION Classification des pressions

Les pressions sont classées en six groupes, en fonction des valeurs rencontrées dans les circuits. La pression atmosphérique (Pa) varie autour de 1 033 millibars.

Très basse pression

de

0

à

20 bar

Basse pression

de

20

à

70 bar

Moyenne pression

de

70

à

400 bar

Haute pression

de

400 à

600 bar

Très haute pression

de

600 à

1000 bar

Hyper pression

au-delà de 1000 bar


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LA PRESSION Principe de Pascal

Vers 1654 Blaise PASCAL (Mathématicien, physicien, philosophe et écrivain français - 1623-1662) énonce un principe qui peut se résumer ainsi : La pression qui règne dans un liquide au repos se transmet normalement (⊥) sur toutes les surfaces en contact avec le liquide, donc en tous points d'un circuit. La pression évolue de 0,1 bar par mètre de hauteur.


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LA PRESSION Les différents moyens de créer une pression, la pression hydrostatique

La pression est créée par une différence de niveau P = hauteur x masse spécifique x accélération de la pesanteur Pression en Pascal Hauteur en mètre Masse spécifique en kg/m3 Accélération de la pesanteur : 9,81 m/s/s, Suite au débit nécessaire au fonctionnement, la différence de niveau diminue en entraînant une diminution de pression.


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La pression est créée par une action mécanique La charge au contact du fluide crée une pression (à condition qu'il y ait résistance à l'écoulement du débit) PRESSION = FORCE / SURFACE La pression est influencée par la charge La pression est influencée par la surface


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LA PRESSION Les différents moyens de créer une pression; la pression hydrodynamique

Le débit d'une pompe ne rencontre aucune résistance s'opposant à son écoulement; il n'y a pas de pression dans le circuit.

Le débit est gêné dans son écoulement; un manomètre placé sur le circuit indique la présence d'une pression. Si l'opposition à l'écoulement augmente, la pression augmente.

La pression sera maximum lorsque le débit sera totalement arrêté dans le circuit.


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LA PRESSION Les différents moyens de créer une pression; la pression hydrodynamique

La pompe crée un débit; la résistance à l'écoulement de ce débit par la charge engendre une pression à l'intérieur du circuit.


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LA PRESSION Principe de Pascal dans un circuit hydraulique

Dans un circuit hydraulique, on peut considérer statique l'huile comprise entre le limiteur de pression et le récepteur immobile, soit en butée, soit sous l'effet de la charge. Lorsqu'il y a débit, le principe de Pascal doit être corrigé pour tenir compte des pertes de charges. Il faut tenir compte des frottements de l'huile sur les surfaces de contact et dans les restrictions.


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LA PRESSION Force mécanique

La force mécanique développée par le récepteur dépend de la pression dans le circuit et de la surface sur laquelle cette pression agit : Force = Pression x Surface Force en Newton N Pression en Pascal Pa Surface en mètre carré m²

ou

Force en décanewton daN Pression en bar Surface en centimètre carré


bar cm²

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LA PRESSION Conclusions

Les deux exercices précédents nous ont fait remarquer que: - La pression varie dans le MEME sens que l'effort effectué, nous dirons que : LA PRESSION EST PROPORTIONNELLE A LA FORCE On conçoit la nécessité d'une soupape pour limiter la pression à des valeurs raisonnables, c'est-à-dire compatibles avec la construction de la machine et les travaux normalement exigés. - La pression varie en sens INVERSE de la surface, nous dirons que : LA PRESSION EST INVERSEMENT PROPORTIONNELLE A LA SURFACE Cette étude des relations entre PRESSION, FORCE et SURFACE nous fait retrouver la formule: PRESSION = FORCE / SURFACE


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LA MESURE D'UNE PRESSION Définition

La pression se mesure avec un manomètre, à aiguille ou électronique. Un état de pression, en dessous ou en dessus d'une valeur définie, peut être contrôlé par un manocontact, l'information est électrique. Le manomètre à aiguille. La plupart des manomètres à aiguille fonctionnent à partir de la déformation d'un tube dit de Bourdon. Le manomètre électronique. Cet outillage utilise un capteur et un boîtier de calcul et d'affichage électronique. Le mano-contact Ce composant ouvre ou ferme un circuit électrique en fonction de la pression ressentie. Utilisation d'un manomètre L'utilisation d'un manomètre est simple; cependant quelques précautions sont à observer: - choisir un point de piquage correct, - choisir un manomètre de calibre correct, attention au pointe de pression à la mise en marche de certaines installation utilisant des régulations, - utiliser des raccords corrects, éviter les montages "fantaisistes", à rallonge, brasés, - utiliser des flexibles de raccordement offrant le moins de perte de charge possible, surtout pour le contrôle de faible pression, - le manomètre peut être installé en fixe dans l'installation, dans certain cas il peut être équipé d'un robinet d'isolement pour éviter de le solliciter inutilement,


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LA MESURE D'UNE PRESSION Le manomètre à aiguille

Le manomètre à aiguille fonctionne par déformation d'un tube de Bourdon. Ce tube cintré, fermé, de section elliptique, est soumis à la pression à contrôler. Les forces hydrauliques qui agissent dans du tube sont plus grandes à l'extérieur qu'à l'intérieur, (surface plus grande car longueur plus grande). La force hydraulique résultante a tendance a redresser le tube. Un système de levier et pignons transmet ce mouvement à l'aiguille. La plage de lecture optimum se situe entre 1/4 et 3/4 de l'échelle de lecture, au-delà la précision du manomètre est moindre. Une restriction ou un bouchon poreux est installé à l'entrée du manomètre pour limiter l'effet des pointes de pression. Le boîtier est rempli au 9/10 de glycérine pour: - amortir les vibrations de l'aiguille, - lubrifier le mécanisme, - éviter la formation de condensation.


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LA MESURE D'UNE PRESSION Plage de lecture d'un manomètre

Précision de la mesure : Les manomètres sont regroupés par classe, chaque classe indique le pourcentage d'écart admissible du manomètre par rapport à la valeur extrême de l'échelle. Exemple : Un manomètre 0 à 250 bar classe 2 a une lecture précise à ± 2% de 250 bar soit ± 5 bar. Les appareils de fabrication courante sont de la classe 1 à 1.6.


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LA MESURE D'UNE PRESSION Exemple de robinet d'isolement


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LA MESURE D'UNE PRESSION Exemple de prise rapide de pression

Prise de pression connectable sous pression type "MINIMESS"

Prise de pression type "CATERPILLAR"


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LA MESURE D'UNE PRESSION Exemple de prise rapide de pression


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LA MESURE D'UNE PRESSION Le manomètre électronique

Le manomètre électronique est constitué d'un ou plusieurs capteurs reliés à un boîtier de calcul et d'affichage. Le manomètre électronique permet des mesures de pression très précises. La restitution des valeurs peut se faire sur imprimante, sous forme de tableau ou de graphique. Un graphique permet de suivre l'évolution de pressions en fonction du temps. Les différents capteurs utilisés sont les capteurs piésorésistifs et les capteurs à couche mince. Le capteur piésorésistif transforme une information de pression générée par un quartz, en une information électrique. Les avantages de ce type de capteur, sont une grande stabilité de pression et une grande résistance aux pointes de pression; il a comme inconvénients d'être onéreux de craindre les chocs et de manquer de précision. Le capteur à couche mince transforme une information de pression générée par un pont de jauge en une information électrique. Les avantages de ce type de capteur, sont sa grande précision, sa résistance aux chocs et son prix, il a comme inconvénient de manquer de stabilité. Ces capteurs ont une marge d'erreur maximum de 0,5% de la plage maximum Exemple: Pour un capteur 0-450 bar la garantie de précision est de 2,25 bar Pour un capteur 0-50 bar la garantie de précision est de 0,25 bar Pour un capteur -1- +9 bar la garantie de précision est de 0,05 bar


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LA MESURE D'UNE PRESSION Le manomètre électronique


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LA MESURE D'UNE PRESSION Exemple de relevé effectué avec un manomètre électronique

Pression en sortie d'une pompe à pistons en charge. Mise en évidence des pulsations générées par les pistons, moteur tournant à 1800 tr/mn.


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LA MESURE D'UNE PRESSION Exemple de mano-contact

Plusieurs technologies sont utilisées pour réaliser les mano-contact: - déformation d'un tube de Bourdon, - action sur un piston / ressort, Le mano-contact permet d'émettre un signal électrique (ouverture ou fermeture de circuit) lorsque la pression atteint une valeur, montante ou descendante, déterminée par la sensibilité du composant.

MANO-CONTACT TYPE "CATERPILLAR"

MANO-CONTACT A PISTON

MANO-CONTACT A TUBE DE BOURDON


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LES PERTES DE CHARGES Définition

Dans un circuit où circule un débit d'huile, la pression en amont est toujours supérieure à la pression en aval. Il y a une perte de pression ou perte de charge, généralement désignée par ∆P (Delta P, différence de pression). La perte de charge est dite "distribuée" quand elle concerne l'ensemble d'une canalisation ou d'un circuit.

Le débit est constant en tous les points d'un même circuit. Ce sont les vitesses qui varient en fonction des sections. Q = S1 V1 = S2 V2 = S3 V3 = ... = constante La perte de charge est dite "localisée" quand elle concerne un raccord, un coude, un étranglement ou un composant. Elle peut atteindre une valeur très importante qu'il ne faut pas négliger. Les pertes de charges sont la conséquence des frottements - entre fluide et paroi (tuyauterie, raccord, composant) - entre les molécules du fluide lui-même. Une augmentation des pertes de charges se traduit par une augmentation de puissance perdue (mauvais rendement, échauffement de la charge d'huile).


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LES PERTES DE CHARGES Les pertes de charges distribuées

L'expérience suivante permet de mettre en évidence l'influence du frottement sur la ∆P. Le niveau du fluide est maintenu constant dans le réservoir par l'orifice d'évacuation du trop plein. L'extrémité de la ligne d'écoulement est obturée. Suivant le principe des vases communicants, le niveau du fluide est identique dans tous les tubes manométriques. Le fluide étant au repos, il n'y a aucune différence de pression le long de la ligne (principe de Pascal).


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CIRCULATION D'UN DEBIT DANS LA LIGNE D'ECOULEMENT Par l'orifice, un débit circule dans la ligne à la hauteur du fluide dans les tubes manométriques et baisse pour se stabiliser selon une droite D. La hauteur du fluide dans les tubes est en fonction de la pression qui règne à leur base. La pression décroît au fur et à mesure que l'on s'éloigne du réservoir, (la longueur de frottement augmente). La hauteur H correspond à la ∆P.


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AUGMENTATION DU DEBIT A une augmentation du débit dans la ligne correspond une augmentation de H, donc de la ∆P. La perte de charge augmente avec le débit. REMARQUE : Au-delà d'une certaine vitesse du fluide, une augmentation du débit provoque une importante perte de charge. Une étude approfondie des phénomènes de frottement ferait apparaître un changement dans l'écoulement du fluide. Faible vitesse écoulement laminaire Grande vitesse écoulement critique ou turbulent lisse Très grande vitesse écoulement turbulent


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AUGMENTATION DE LA SECTION Le montage est modifié, la section de la ligne d'écoulement est augmentée. Pour une valeur de débit identique, la vitesse du fluide est plus faible. La hauteur H correspondante est plus faible, donc la ∆P est plus faible. La perte de charge ∆P diminue avec une augmentation de la section.


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LES PERTES DE CHARGES Les pertes de charges à travers les filtres


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LES PERTES DE CHARGES Ecoulement et pertes de charges

Le type d'écoulement et la perte de charge dans une tuyauterie peuvent être déterminés par lecture sur un tableau. Paramètres à connaître : - la viscosité de l'huile (choix du tableau) - le débit en l/mn - le diamètre intérieur de la tuyauterie en mm.

Exemple : Si on fait passer un débit de 50 l/min dans un tuyau de diamètre intérieur 16 mm on aura 0,3bar de perte de charge par mètre de tuyau, l'écoulement est dit laminaire. Si on fait passer un débit de 50 l/min dans un tuyau de diamètre intérieur 10 mm on aura 2,5bar de perte de charge par mètre de tuyau, l'écoulement est dit turbulent.


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LES PERTES DE CHARGES Conclusion

Nous avons constaté que pour que le circuit monte en pression : IL FAUT UNE RESTRICTION QUI S'OPPOSE A LA CIRCULATION DE L'HUILE Cette pression se trouve en amont de la restriction, c'est-à-dire entre la pompe et la restriction. Quand le débit de la pompe augmente, l'huile afflue en plus grande quantité et "se coince" dans la restriction, ce qui fait encore augmenter la pression entre la pompe et la restriction. Par contre, la pression en aval de l'étranglement est déterminée par l'effort résistant, c'est-à-dire par la charge qui s'exerce. Cette pression "aval" est donc indépendante du débit. Nous pouvons en déduire que les valeurs des pressions indiquées par le manomètre "amont" dépendent d'une part de la charge et, d'autre part, du débit de la pompe.


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LES PERTES DE CHARGES Le nombre de Reynolds

Nombre de Reynolds Suivant la section des canalisations et la vitesse du fluide nous obtenons 3 formes d'écoulement - Ecoulement laminaire : Aucun tourbillon important ne vient perturber le trajet effectué par le fluide; dans un tel écoulement les particules constituant le fluide circulent parallèlement entre elles. - Ecoulement turbulent: Le trajet du fluide est soumis à des tourbillons. Les particules ne circulent plus en bon ordre dans une direction, mais s'influencent et se font obstacle mutuellement. - Ecoulement critique Se situe entre l'écoulement laminaire et l'écoulement turbulent. Le type d'écoulement est déterminé par le nombre de Reynolds(Re). Re = Vt x D Vc Re : Nombre de Reynolds Vt : Vitesse du fluide en m/s D : ∅ de la canalisation en m Vc : Viscosité cinétique en m²/s Re critique ≈ 2300 Ecoulement laminaire : Re < Re critique Ecoulement turbulent : Re > Re critique


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LES PERTES DE CHARGES Exercice application numérique

Supposons que la pression créée par l'effort résistant soit de 10.000 kPa dans le vérin; pression indiquée par le manomètre B. Notons les pressions indiquées par le manomètre A pour différents régimes de la pompe pendant le déplacement du vérin. ANALYSE : 1. La pression indiquée par le manomètre B en aval de la restriction ne varie pas avec le débit. Elle ne dépend que de l'effort résistant. 2. La pression indiquée par le manomètre A en amont de la restriction augmente avec le débit de la pompe. 3. Nous pouvons en déduire que les pressions relevées en A dépendent de la charge du vérin et du débit de la pompe. 4. Pour faire abstraction de la charge du vérin, étudions l'évolution de la différence de pression ∆P = A - B. 5. Le tableau ci-contre montre bien que ∆P est proportionnelle au débit de la pompe. Nous constatons que chacune des valeurs de ∆P peut être obtenue en multipliant le carré du débit par 5. Ici, le chiffre 5 est un coefficient caractéristique de la restriction. Une étude plus poussée nous amènerait à la conclusion suivante : - si nous restreignons un circuit hydraulique les différences de pression entre l'amont et l'aval de l'étranglement sont proportionnelles au carré du débit, quelle que soit la charge. Cette différence de pression se note ∆P et en appelant le débit Q, la formule s'écrit : ∆P = KQ2 Le coefficient K dépend de la restriction, et d'elle seule.

Régime de la pompe (tr/min) 400 800 1 200 1 600

Débit de la pompe (l/min) 10 20 30 40

Pression en A (kPa) 10 500 12 000 14 500 18 000

Pression en B (kPa) 10 000 10 000 10 000 10 000


Pression A-B (kPa) 500 2 000 4 500 8 000

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LA PUISSANCE Relation générale

En règle générale, une puissance est définie par : Puissance = TRAVAIL TEMPS Puissance L'unité légale est le watt, W. Dans la pratique, on utilise le kilo watt, kW. Travail. L'unité de travail est le joule, J. Le joule est le travail produit par une force de un newton, N, dont le point d'application se déplace de un mètre dans la direction de la force. Temps L'unité de temps est la seconde. L'ancienne unité de puissance, le cheval (ch) correspondant à la puissance nécessaire pour soulever une charge de 75 kilogrammes à 1 mètre de hauteur en 1 seconde. L'ancienne unité de puissance, le "horse power" (H.P.) correspondant à la puissance nécessaire pour soulever une charge de 33 000 Livres anglaises à 1 pied de hauteur en 1 minute. 1 Watt 1 kilo Watt 1 Cheval 1 H.P.

W 1 1000 736 746

kW 0,001 1 0,736 0,746

Ch 0,00136 1,359 1 1,014

H.P. 0,00134 1,341 0,986 1

PUISSANCE MECANIQUE TRAVAIL = FORCE X ESPACE PARCOURU PUISSANCE =——————————————— FORCE X ESPACE PARCOURU TEMPS VITESSE =ESPACE PARCOURU —————————— TEMPS PUISSANCE = FORCE X VITESSE


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LA PUISSANCE Relation hydraulique

La puissance hydraulique s'exprime par la relation: Puissance = Débit x Pression Pa W m3/s Afin d'obtenir la puissance en ancienne unité, des coefficients de correction sont utilisés: P ch = Q l/mn x kg/cm² 450 P ch = Q l/mn x bar 442 P kw = Q l/mn x bar 600

PUISSANCE HYDRAULIQUE TRAVAIL = PRESSION X SURFACE X ESPACE PUISSANCE =————————————————— PRESSION X SURFACE X ESPACE TEMPS DEBIT =SURFACE X ESPACE PARCOURU ——————————————— TEMPS PUISSANCE = DEBIT X PRESSION


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LA PUISSANCE La puissance mécanique à partir de la puissance hydraulique

L'hydraulique ne crée pas de puissance, elle transforme la puissance moteur. Cette transformation entraîne une perte de rendement de l'ordre de 20% à 10% suivant le type d'installation. En utilisant l'hydraulique de la machine, il est possible de calculer la puissance du moteur par la relation: P moteur = Débit au régime de pleine charge x pression mesurée Rendement Débit = soit mesuré, soit connu par les spécifications. Valeur de rendement Par expérience, technologie du type: - entraînement par réducteur, régulation à servocommande, rendement 80% - entraînement direct, régulation load sensing, rendement 90%


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LA PUISSANCE Représentation de la puissance

La puissance hydraulique (Débit x Pression) doit utiliser la puissance moteur de telle sorte que le produit Débit x Pression soit toujours <= puissance moteur. Le débit peut être important, la pression doit être faible. Lé débit peut être faible, la pression pourra être élevée. C'est le rôle d'une régulation à puissance constante. Les différents points de fonctionnement déterminent une courbe de puissance. TRACE DE LA COURBE Exemple : PELLE 213 B (les rendements ne sont pas pris en compte). La pompe d'équipement ne prend pas toute la puissance du moteur. Puissance disponible au moteur : 82 000 W. Limiteur de pression est réglé à 32 000 kPa Débit de la pompe en cylindrée mai : 270 l/mn, 0,0045 m3/s Débit = Puissance disponible Pression de pompe Pression en Pa

Débit en m3/s

Débit en l/s

Débit en l/mn

Puissance en kW

18 200 000

0,0045

4,5

270

82

20 000 000

0,0041

4,1

246

82

25 000 000

0,00328

3,28

197

82

30 000 000

0,00273

2,73

164

82

32 000 000

0,00256

2,56

154

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LA PUISSANCE Représentation de la puissance

La puissance hydraulique (Débit x Pression) n'est disponible que si le moteur Diesel fournit une puissance mécanique suffisante. Le produit Débit x Pression soit toujours <= puissance moteur. Par rapport à la puissance; - Le débit peut être important, la pression doit être faible. - Le débit peut être faible, la pression pourra être élevée. Les valeurs de débit et pression peuvent être reportées sur un graphique. Le point de fonctionnement détermine un rectangle, sa surface représente la puissance.


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LE RENDEMENT Définition

Puissance utile La puissance utile est la puissance utilisable en sortie du récepteur hydraulique après toutes les transformations effectuées dans l'installation. Rendement Les transformations d'énergie successives font intervenir de nombreux composants, chacun ayant des frottements mécaniques à vaincre et des fuites d'huile. Il y a une perte d'énergie sur chaque composant donc une perte de rendement. L'énergie perdue est évacuée sous forme de chaleur, par frottement ou laminage.


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LE RENDEMENT Définition

On distingue deux types de rendement : - Rendement mécanique : ηméc concerne les pertes consécutives aux assemblages mécaniques. - Rendement volumétrique : ηVol Concerne les pertes consécutives aux fuites d'huile. Rendement global : Rendement global = Rendement mécanique x rendement volumétrique


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LE RENDEMENT Définition du rendement mécanique

Le rendement mécanique d'un appareil dépend de la force nécessaire pour vaincre les frottements. - Frottement des arbres sur les paliers et joints d'étanchéité. - Frottement des pistons dans les cylindres - Frottement des barillets sur les glaces.... Il y a déplacement d'un effort pendant un temps donné ; il y a une puissance dépensée; Puissance = Force x Déplacement Temps Cette puissance, prélevée sur la puissance disponible, n'est pas restituée à l'utilisation.


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LE RENDEMENT Le rendement mécanique d'une pompe

La puissance mécanique que la pompe peut convertir en puissance hydraulique est égale à la puissance absorbée moins la puissance perdue.

Puissance convertie (hydraulique)

Perte (mécanique) Puissance absorbée (mécanique) Rendement mécanique =

Puissance convertie Puissance convertie + Perte


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LE RENDEMENT Le rendement mécanique d'un récepteur

La puissance hydraulique que le récepteur peut convertir en puissance mécanique, est égale à la puissance absorbée moins la puissance perdue.

Puissance absorbée (hydraulique)

Perte (mécanique) Puissance convertie (mécanique) Rendement mécanique =

Puissance convertie Puissance convertie + Perte


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LE RENDEMENT Le rendement volumétrique

Le rendement volumétrique d'un appareil dépend des pertes d'huile générées par les jeux fonctionnels nécessaires dans les montages mécaniques. Ces fuites d'huile sont souvent nécessaires pour assurer la lubrification des pièces en frottement. Une fuite est un débit qui évacue de l'huile sous une certaine différence de pression. Il y a donc une puissance hydraulique absorbée par les fuites qui se dissipe sous forme de chaleur. Un débit de fuite passant à travers une restriction obéit à la relation ∆P = KQ² ∆P = Différence de pression K = Coefficient, caractérise l'orifice Q = Débit d'huile Le débit de fuite augmente avec la pression P↑

∆P↑

KQ²↑ (K= Cst

Q²↑ )

L'expérience démontre que le débit de fuite augmente au carré par rapport à la section. Le débit de fuite augmente avec la pression.


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LE RENDEMENT Le rendement volumétrique d'une pompe

Le débit refoulé par la pompe est inférieur au débit aspiré, il faut lui enlever le débit de fuite.

Débit refoulé

Débit de fuite

Débit aspiré Rendement volumétrique =

Débit aspiré - Débit de fuite Débit aspiré


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LE RENDEMENT Le rendement volumétrique d'un récepteur

Le débit restitué par le récepteur est inférieur au débit absorbé, il faut lui enlever le débit de fuite.

Débit absorbé

Débit de fuite Débit restitué Rendement volumétrique =

Débit restitué Débit restitué + fuite


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359 S- Base hyd présentation

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