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Le système hydraulique ne peut fonctionner sans composants essentiels tels que les pompes hydrauliques, les valves hydrauliques, les moteurs hydrauliques et les vérins hydrauliques. Certains se demandent peut-être : puisque l’eau est omniprésente et peu coûteuse, pouvons-nous l’utiliser directement à la place de l’huile hydraulique ?
La réponse est : théoriquement, cela est possible, mais les conséquences ne sont pas idéales. C’est comme utiliser un vélo ordinaire pour tracter un camion : il peut avancer quelques fois, mais on ne saurait en attendre des performances ou une durée de vie satisfaisantes. Examinons les raisons sous cinq aspects ci-dessous.
1. Lubrification insuffisante
Principe : L'huile hydraulique forme un film huileux stable sur la surface métallique (lubrification fluide / lubrification fluide élastique), transformant le contact direct entre métaux en cisaillement « huile sur huile », ce qui réduit considérablement l’usure et la génération de chaleur. L’eau forme à peine un film, et sa capacité de lubrification limite est quasiment nulle.
Échelle de référence : Viscosité dynamique de l’eau à 20 ° C ≈ 1 MPa · °C ; La viscosité dynamique de l’huile hydraulique ISO VG 32 à 40 ° °C est d’environ 25 à 30 mPa · ·s (légèrement variable selon la densité). L’eau est 20 à 30 fois moins visqueuse que les huiles hydrauliques couramment utilisées.
Zones sujettes à des problèmes :
Usure, grippage et collage de la plaque latérale ou des surfaces des dents d’une pompe à engrenages ;
Rayures et décoloration bleutée sur la surface de frottement entre les extrémités des palettes d’une pompe à palettes et la bague fixe ;
Frottement à sec sur la surface d’accouplement entre le cylindre de la tige de piston et le piston, ainsi que sur la surface de glissement de la chaussure contre le plateau incliné d’une pompe à pistons ;
Le faible jeu entre le noyau de la vanne et le corps de la vanne (de l’ordre de quelques micromètres) peut devenir « effiloché » et provoquer un blocage après perte de lubrification.
Exemple
Faire un essai avec une pompe à piston à faible débit de 25 MPa à l’eau propre : même sans charge, une élévation rapide de la température et un bruit anormal intense peuvent apparaître en quelques dizaines de minutes à quelques heures ; À l’inspection, on constate des rayures sur la surface de la semelle coulissante et une coloration noire et bleutée sur l’extrémité du piston.
Si la pompe à palettes perd son film d’huile, elle émettra un sifflement aigu et ne parviendra pas à atteindre la pression nominale après quelques heures de fonctionnement. Après démontage, des « sillons » nettement visibles apparaîtront sur les bords des palettes.
2. Problèmes de corrosion
Principe : L’eau contient de l’oxygène dissous et des électrolytes, ce qui favorise la corrosion électrochimique ; Par ailleurs, elle favorise également la corrosion localisée (piqûres) et la corrosion sous dépôt. L’eau peut aussi provoquer l’absorption d’eau et le gonflement des matériaux courants d’étanchéité ou élastiques (tels que le NBR, le PU, etc.), accélérant ainsi leur vieillissement.
Zones sujettes à des problèmes : corrosion par piqûres sur la surface d’appui entre le tiroir de vanne et le corps de vanne → collage et rampe ; la couche chromée sur la tige de piston du vérin hydraulique est corrodée, et le bord d’étanchéité est aiguisé ; corrosion sur la plaque latérale et la paroi intérieure du carter de pompe à engrenages → particules abrasives pénétrant dans le circuit ; l’élément d’étanchéité (NBR/PU) absorbe de l’eau, ce qui réduit sa dureté et provoque des variations dimensionnelles, entraînant une augmentation des fuites. Exemple : si des équipements extérieurs ne sont pas vidés et séchés en temps utile après immersion dans l’eau, le noyau de vanne peut présenter une légère rouille au bout de trois à cinq jours, se manifestant par un retard d’action et des secousses au démarrage. Certaines machines à injecter raccordent par erreur l’eau de refroidissement au circuit hydraulique, ce qui provoque l’apparition de taches de rouille sur le corps du vérin en quelques jours, suivies de rayures sur le bord d’étanchéité dues à une corrosion par piqûres, et une forte augmentation des fuites d’huile.
3. Risque de cavitation
Principe : L'eau possède un point d'ébullition bas et une pression de vapeur élevée. Dès que la pression locale à l'entrée de la pompe devient inférieure à la pression de vapeur de l'eau, celle-ci se vaporise en bulles ; ces bulles implosent immédiatement dans la zone à haute pression, générant des micro-jets et des ondes de choc qui créent des piqûres (points de cavitation) similaires à celles provoquées par le sablage. Échelle de référence : La pression de vapeur de l'eau à 60 ° °C est d'environ 20 kPa, nettement supérieure à la pression de vapeur de l'huile hydraulique ; par conséquent, la cavitation est plus susceptible de se produire dans les mêmes conditions d'aspiration. Zones sujettes à problème : sommet des dents de la pompe à engrenages – zone d'entrée de la plaque latérale, chambre d'entrée de la pompe à palettes, fenêtre d'aspiration de la plaque de distribution de la pompe à pistons ; zones locales à basse pression aux orifices de restriction et aux angles vifs.
Exemple
Une pompe à engrenages de 30 L/min, lorsqu'elle est utilisée avec de l'eau à 1500 tr/min et qu'elle est équipée d'une tubulure d'aspiration longue ou d'un élément filtrant fin, produit un « bruit de papier de verre / bourdonnement ». Après quelques jours, la plaque latérale présente des piqûres et des cavités en forme de croissant, et le rendement volumétrique chute de 90 % à 60–70 %.
L’ouverture réduite de la vanne limite le débit du fluide (eau). Dans des conditions de haute température, des piqûres en forme d’aiguille apparaissent fréquemment sur le corps et le siège de la vanne, entraînant une augmentation des fuites internes et du bruit.
4. Principe de viscosité insuffisante : L’étanchéité et la maîtrise des fuites dans les systèmes hydrauliques dépendent fortement de la viscosité du fluide. Autrement dit, le débit de fuite laminaire Qfuite est approximativement proportionnel à 1/ μ 1/\mu μ (lorsque la géométrie et la différence de pression sont fixes). Lorsque le fluide passe d’une viscosité de 30 mPa · ·s à 1 mPa · ·s, les fuites théoriques peuvent être multipliées par plusieurs dizaines.
5. Principe de sensibilité à la température : Lorsque l’eau gèle à 0 ° C, son volume augmente d'environ 9 %, provoquant des fissures sur les pièces ou canalisations à parois minces ; À haute température, l'évaporation s'intensifie et la pression de vapeur augmente, entraînant une cavitation plus fréquente ainsi que des fluctuations de pression. L'huile hydraulique est dotée d'un améliorateur de viscosité en fonction de la température et d'un antioxydant, ce qui lui confère une large plage de températures de fonctionnement.
Impact sur site : basse température : gel → fissuration de l'aspiration ou du carter de la pompe ; L'impact est particulièrement important au moment du démarrage, provoquant l'« ouverture » de la lèvre d'étanchéité ; Haute température : cavitation fréquente et cavitation à l'entrée de la pompe ; Augmentation des ondulations de pression et du bruit, entraînant des fluctuations rapides des organes de commande.
Exemple
Les équipements extérieurs situés dans le nord étaient exposés à des températures inférieures à 0 °C pendant la nuit, et l'eau résiduelle dans la canalisation a gelé. Le lendemain, de fines fissures sont apparues sur le carter de la pompe à engrenages lors de son démarrage ;
Sur le site de coulée continue métallurgique, dans un environnement de 60 à 70 °C ° C, le circuit d’essai utilisant de l’eau comme fluide présente fréquemment des bruits au niveau de l’extrémité de la pompe et une chute de pression à haute température. Ce n’est qu’après être revenu à un mélange eau-glycol éthylénique que le système a à peine retrouvé sa stabilité.
Conséquence directe : diminution notable du rendement volumétrique (plus marquée aux hautes pressions) ; montée lente de la pression et progression hésitante sous charge ; les fuites internes du noyau de vanne s’accroissent, provoquant une différence de pression statique dans le système ainsi qu’une augmentation du chauffage. Exemple : en utilisant de l’eau comme fluide, une pompe à engrenages dont la pression nominale est de 20 MPa peut encore tourner à vide, mais ne parvient pas à monter en pression sous une charge de 8 à 10 MPa ; après remplacement de cette même pompe par de l’huile VG46, elle retrouve une capacité de montée en pression de 18 à 20 MPa. Des composants tels que les vannes proportionnelles servo, extrêmement sensibles aux jeux très faibles, présentent des fuites importantes à la position zéro et une dérive lorsque l’on utilise un fluide à faible viscosité, ce qui rend difficile la stabilisation de la boucle de position.
Selon les points de vue que j’ai présentés, les moteurs hydrauliques restent toutefois plus compatibles avec l’huile hydraulique.
Toutefois, il convient de noter qu’il existe, dans l’industrie, des fluides hydrauliques à base d’eau (HFA/HFB/HFC, tels que le glycol éthylénique aqueux), ainsi que des systèmes de pompes/vannes/joints et de matériaux spécifiquement conçus pour ces fluides (acier inoxydable/plaqué nickel, céramique, EPDM/PTFE, etc.). Mais cela relève de l’ingénierie de systèmes spécialisés, et il ne suffit pas de remplacer simplement le système à huile existant par de l’eau.