Une pompe hydraulique sur un engin de chantier n'a fourni que 480 heures de service avant que le technicien ne remarque le bruit caractéristique de gravier provenant du côté aspiration. Lorsque l'unité a été ouverte, la zone d'entrée et la cartouche de la pompe présentaient des creux profonds et des surfaces rugueuses. C'était de la cavitation, pas une pièce défectueuse. La cavitation est la principale cause de défaillance prématurée des pompes dans les systèmes hydrauliques, et elle peut presque toujours être évitée en comprenant les conditions qui la déclenchent.
La cavitation se produit lorsque la pression du fluide à l'entrée de la pompe chute en dessous de la pression de vapeur de l'huile, formant des bulles de vapeur qui s'effondrent violemment lorsqu'elles sont poussées dans la zone haute pression à l'intérieur de la pompe. L’effondrement génère des ondes de choc localisées qui érodent le métal, provoquent des vibrations et finissent par détruire la pompe. Pour engins de chantier opérateurs, cela signifie des temps d’arrêt imprévus et des réparations coûteuses. Une cartouche de pompe de remplacement peut à elle seule coûter des centaines de dollars, et les temps d'arrêt d'une excavatrice ou d'une presse hydraulique peuvent être encore plus coûteux.
Qu'est-ce que la cavitation et pourquoi elle détruit les pompes
La cavitation est un processus physique qui se produit dans toute pompe à liquide. Chaque fluide hydraulique a une pression de vapeur qui augmente avec la température. Lorsque la pression du côté aspiration de la pompe tombe en dessous de cette pression de vapeur, le fluide commence à bouillir à température ambiante, formant des bulles microscopiques. Lorsque ces bulles se déplacent dans la région haute pression de la pompe, elles sont détruites par le fluide environnant. Ces implosions agissent comme des marteaux microscopiques contre les surfaces métalliques, générant des ondes de choc dont les pressions locales peuvent dépasser 1 000 bars.
La marge entre le NPSH disponible et requis est ce que les ingénieurs appellent la marge NPSH. Garder cette marge saine est la règle de conception la plus importante pour prévenir la cavitation.
Les dommages causés par ce processus ont un aspect distinctif. Les zones affectées, généralement l'orifice d'aspiration, le bord d'entrée de la cartouche à palettes ou la turbine, sont piquées et semblent rugueuses au toucher. Dans les cas graves, le métal est totalement absent. La capacité de la pompe diminue, le bruit devient plus fort et le risque de grippage complet de la pompe augmente.
Les principales causes de cavitation dans les pompes
Comprendre les causes est la première étape vers la prévention. Il existe deux catégories générales : les causes du côté aspiration et les causes du côté refoulement. Le tableau ci-dessous résume les plus courants.
| Catégorie | Cause | Effet sur la pompe |
|---|---|---|
| Aspiration | NPSHa inférieur à NPSHr | Des bulles se forment à l'entrée |
| Aspiration | Filtre ou crépine d'aspiration bouché | Chute de pression et manque de débit |
| Aspiration | Aspiration line too long, too small, or too many bends | Perte de pression excessive |
| Aspiration | Température du fluide élevée | La pression de vapeur augmente, il est plus facile de caviter |
| Aspiration | Pompe montée trop haut au-dessus du niveau d'huile | Hauteur d'eau insuffisante à l'entrée |
| Décharge | Sortie bloquée, vanne fermée ou réglage haute pression | Décharge cavitation |
| Décharge | Fonctionnement au-delà de la vitesse nominale | La pression interne chute en dessous de la pression de vapeur |
| Système | Entrée d'air dans la conduite d'aspiration | Des poches de gaz qui imitent la cavitation |
La catégorie la plus courante est la cavitation côté aspiration. Cela se produit lorsque la pompe ne peut tout simplement pas aspirer suffisamment de liquide. L'élément filtrant est le coupable le plus fréquent : à mesure que le filtre se bouche, la différence de pression à travers celui-ci augmente et la pression à l'entrée de la pompe chute en dessous de la pression de vapeur. Même un filtre présentant une quantité modeste de contamination peut provoquer ce phénomène.
Une deuxième cause fréquente est la conduite d’aspiration elle-même. Si la conduite est plus étroite que ce qui est recommandé par le fabricant de la pompe, ou s'il y a trop de coudes et de raccords, la vitesse du fluide dans la conduite d'aspiration augmente et la pression locale diminue. La même chose se produit lorsque la pompe est montée bien au-dessus du réservoir : la hauteur d'aspiration dépasse ce que le fluide peut fournir en toute sécurité.
La température du fluide est une cause cachée que les opérateurs négligent souvent. La pression de vapeur de la plupart des huiles hydrauliques augmente nettement au-dessus de 60°C. Si un système fonctionne à 70°C avec un faible niveau d'huile ou un filtre partiellement obstrué, la cavitation peut commencer même si les calculs NPSH semblaient corrects au stade de la conception.
La cavitation côté décharge est moins courante mais reste grave. Si la conduite de sortie est obstruée, si une vanne n'est que partiellement ouverte ou si le point de consigne de décompression est augmenté au-delà de la capacité nominale de la pompe, la pression au niveau des éléments de pompage peut tomber en dessous de la pression de vapeur. Dans les pompes à piston et pompes à palettes de même, cette condition produit le même bruit et les mêmes dommages révélateurs.
L’entraînement de l’air provenant d’une conduite d’aspiration qui fuit peut également imiter les symptômes d’une véritable cavitation. Lorsque la pompe ingère de l’air, les poches de gaz s’effondrent avec un bruit similaire et provoquent une érosion similaire. La différence est que la cause première est l’air et non la pression de vapeur. L'inspection et le serrage de tous les raccords des conduites d'aspiration sont une étape simple qui évite de nombreuses fausses alarmes.
Comment détecter la cavitation avant la panne de la pompe
La cavitation donne des avertissements clairs. Le plus fiable est le son : un hochet constant de « billes dans un pot » ou de gravier qui s'aggrave lorsque la charge de travail augmente. La vibration est le deuxième signe. Une pompe qui fonctionne bien à 1 800 tr/min mais qui devient irrégulière à 2 200 tr/min vous indique que l’entrée est restreinte.
Les changements de performances sont également courants. Le débit diminue progressivement et le vérin hydraulique ou le moteur du côté aval se déplace plus lentement que lorsque le système était neuf. Les lectures de pression à la sortie de la pompe fluctuent et l'huile peut mousser dans le réservoir.
Lorsque vous ouvrez la pompe pendant un intervalle d'entretien, inspectez la cartouche de la pompe. Le jeu d’aubes internes est souvent la première pièce à montrer des dommages. Les pointes d'aubes piquées, les rayures sur la plaque d'orifice et les surfaces rugueuses au niveau de l'orifice d'aspiration sont autant d'indicateurs d'une cavitation. La bonne nouvelle est que la cartouche est un composant remplaçable. Dans une pompe de type T6/T7, la cartouche peut être remplacée sans remplacer le boîtier de la pompe, ce qui réduit le coût de réparation.
Structure de lame à double lèvre pour cartouche T6/T7 La série T adopte une structure de pale à double lèvre, et les doubles lèvres entrent alternativement en contact avec le stator pour réduire l'impact des pales sur le stator. Huile de noyau de pompe série T s... Voir le produit → Comment prévenir la cavitation dans les systèmes hydrauliques réels
La prévention peut être abordée à trois niveaux : la conception du système, les habitudes de fonctionnement et la maintenance.
Conseils de conception du système
- Calculez NPSHa dans le pire des cas : température d'huile élevée, filtre contaminé et niveau d'huile le plus bas dans le réservoir. Conservez une marge d'au moins 15 à 20 % au-dessus du NPSHr requis par la pompe.
- Gardez la conduite d’aspiration aussi courte et droite que possible. La vitesse du fluide dans la conduite d'aspiration ne doit pas dépasser 1,2 m/s pour une pompe hydraulique. Utilisez un tuyau plus gros si nécessaire.
- Minimisez les raccords, les coudes et les vannes du côté aspiration. Chaque raccord supplémentaire ajoute une chute de pression.
- Utilisez un filtre de retour plutôt qu'un filtre d'aspiration lorsque cela est possible. Si un filtre d'aspiration est inévitable, sélectionnez-en un avec une faible pression différentielle et un by-pass généreux.
- Dans le réservoir, maintenez un niveau de liquide qui recouvre l'entrée de la pompe. Utilisez un déflecteur pour empêcher l'huile de tourbillonner et d'aspirer de l'air dans la pompe.
- Choisissez une pompe avec un NPSHr qui correspond au NPSH disponible. Une pompe à palettes de la série V est conçue avec une cartouche compacte et un fonctionnement silencieux, ce qui la rend mieux adaptée aux systèmes sensibles à l'aspiration.
Pompe unique à faible bruit série V La pompe intra-palettes à faible bruit de la série V répond à l'industrie des machines-outils. Ces pompes ont une haute pression. Avec une grande capacité, une taille compacte, un faible niveau de bruit et une durée de vie plus longue... Voir le produit → Habitudes de fonctionnement
- Faites fonctionner la pompe dans la plage de vitesse indiquée par le fabricant. La plupart des pompes à palettes sont conçues pour 1 200 à 2 500 tr/min. Pousser une pompe à 3 000 tr/min de manière continue provoque la cavitation même si la conduite d'aspiration semble en bon état.
- Maintenir la température du fluide entre 40 et 60 °C. Utilisez un échangeur de chaleur lorsqu'une machine fonctionne en continu.
- Ne réglez pas la soupape de décharge au-dessus de la pression maximale indiquée par le fabricant de la pompe. Le point de consigne de pression doit correspondre à la conception du système et non à la limite théorique de la pompe.
- Pour les applications haute pression avec charge variable, une pompe à piston telle que la série A10VSO offre une conception rigide et de bonnes tolérances haute pression.
Pompe à piston série A10VSO 31 Description du produit : Voir le produit → Conseils d'entretien
- Remplacez les filtres d'aspiration à temps, pas lorsque l'indicateur se déclenche. Un filtre obstrué à 80 % peut toujours produire une pression adéquate dans la conduite de retour, mais sa chute de pression côté aspiration peut déjà être suffisamment élevée pour perturber l'entrée de la pompe.
- Vérifiez la cartouche de la pompe lors de chaque entretien programmé. Si les pointes des aubes présentent des signes d’usure ou de piqûres, c’est un signe précoce.
- Surveillez la température de l’huile et la contamination. Les températures élevées et la saleté forment une combinaison mortelle.
L'essentiel
La cavitation est le symptôme d’un système hydraulique mal conçu, mal utilisé ou mal entretenu. La pompe elle-même est souvent la victime et non la cause. Corrigez les conditions d'entrée, gardez l'huile fraîche et propre et sélectionnez une pompe dont les exigences NPSH correspondent au système réel. C'est le moyen le plus simple d'éliminer les dommages causés par la cavitation et de maintenir l'équipement hydraulique en service.
