Un cylindre hydraulique à haute température n'est pas créé simplement en remplaçant les joints standards par des “joints haute température”. Un fonctionnement fiable dans des conditions estivales chaudes, à proximité de sources de chaleur rayonnante, lors de cyclages continus ou avec de l'huile hydraulique à haute température nécessite que le fluide, le système d'étanchéité, les jeux, le guidage, les surfaces, le refroidissement, le contrôle de la contamination et les tests fonctionnent ensemble.
Améliorer un composant ne résoudra pas le problème si le système continue à surchauffer ou si le cylindre est exposé à un chargement latéral, à la contamination, à une contre-pression excessive ou à des pics de pression.
Définir les conditions de température réelles
La première étape consiste à distinguer entre la température ambiante, la température de l'huile hydraulique, la température de surface du cylindre et la température de contact des joints localisés.
L'air ambiant peut être à 40°C, tandis que l'huile devient beaucoup plus chaude après plusieurs heures de fonctionnement. Le mouvement de va-et-vient rapide crée de la chaleur par friction autour des joints de tige et de piston. Les cylindres proches des moteurs, chaudières, fours, systèmes d'échappement ou séchoirs peuvent également recevoir de la chaleur rayonnante.
Avant la conception, confirmez les températures continues et maximales, le temps de fonctionnement quotidien, la vitesse du cylindre, la fréquence des cycles, la pression, le type de fluide et les sources de chaleur externes.
La température maximale d'un catalogue de joints est normalement une limite supérieure dans des conditions spécifiques. Cela ne signifie pas que le joint peut fonctionner en continu à la température, à la pression et à la vitesse maximales simultanément. Le fonctionnement continu nécessite une marge de conception appropriée.
Contrôler la génération de chaleur dans le système hydraulique
Le cylindre n'est généralement pas la seule raison pour laquelle un système surchauffe.
Le fonctionnement continu de la vanne de décharge, les pertes de régulation, une contre-pression de retour élevée, des tuyaux sous-dimensionnés, un petit réservoir, des distributeurs inefficaces et un refroidissement insuffisant peuvent tous générer ou retenir de la chaleur.
Vérifiez ensemble le volume du réservoir, la capacité du refroidisseur, le débit d'air, l'agencement de la ligne de retour, la taille des tuyaux et les pertes de pression des vannes. Les équipements fonctionnant en continu peuvent nécessiter un échangeur de chaleur refroidi par air ou par eau.
Les joints à haute température peuvent retarder la défaillance, mais ils ne peuvent pas corriger un système qui fonctionne en permanence au-dessus de sa température prévue.
Sélectionner l'huile en fonction de sa viscosité à la température de fonctionnement
Le choix de l'huile hydraulique ne devrait pas être basé uniquement sur son grade ISO VG.
L'huile doit maintenir une viscosité appropriée de la température minimale de démarrage à la température maximale d'huile continue. Une huile devenue trop fluide augmente les fuites à travers les claires du cylindre et des vannes et affaiblit le film lubrifiant entre les surfaces en mouvement.
Une huile inutilement épaisse peut provoquer des problèmes de démarrage à froid, une résistance d'aspiration plus élevée et une perte de pression accrue.
Sélectionnez le grade de viscosité et l'indice de viscosité pour la plage de températures complète, et confirmez la compatibilité avec les joints, les revêtements et les autres matériaux du système.
Concevoir les joints comme un système complet
Un système de joint à haute température comprend le joint de tige, le joint de piston, les joints statiques, le racloir, les anneaux d'usure et tout anneau anti-extrusion requis.
Selon le fluide, la pression, la vitesse et la température, les matériaux peuvent inclure des combinaisons de polyuréthane, NBR, HNBR, FKM ou PTFE.
Le PTFE offre une faible friction et une large capacité de température, mais nécessite généralement un energiseur en élastomère. L'assemblage complet n'est résistant à la température que dans la mesure où tous ses matériaux le sont.
| Composant | Considérations principales en matière de conception |
|---|---|
| Joint de tige | Température, vitesse, contre-pression, surface de tige, et fuite externe |
| Joint de piston | Fuite interne, pics de pression, direction de la pression, et maintien de la charge |
| Joints statiques | Compatibilité des fluides, fluage, température, et clarté d'extrusion |
| Racloir | Poussière, eau, chaleur, corrosion, et contamination de la tige |
| Rings de protection | Prévenir l'extrusion des joints ramollis dans les espaces |
| Porter des bagues | Supporter les charges latérales et prévenir le contact métallique |
Les valeurs de pression, température et vitesse interagissent. Leurs valeurs maximales au catalogue ne doivent pas toutes être considérées comme des conditions de fonctionnement continues.
Vérifier les jeux à la condition de fonctionnement à chaud
Le tube de cylindre, le piston, la tige, le bushing de guidage, les anneaux d'usure, les joints et les rainures changent de dimension à mesure que la température augmente.
Des jeux qui sont trop petits peuvent provoquer des frottements, des mouvements de coller-glisser, une surchauffe des joints ou un grippage. Des jeux qui sont trop grands peuvent augmenter les fuites internes et l'extrusion des joints.
Le jeu entre le piston et le cylindre, le jeu entre la tige et le guide, les dimensions des rainures et les écarts d'extrusion doivent donc être vérifiés à la température maximale continue, et pas seulement à température ambiante.
Les applications haute pression peuvent nécessiter des anneaux de secours ou des structures d'étanchéité avec une résistance à l'extrusion plus forte.
Améliorer le guidage et réduire le chargement latéral
Le chargement latéral crée un contact inégal sur les anneaux d'usure, les bushings de guidage, les joints et le cylindre. Cela provoque une usure concentrée et une chaleur de friction supplémentaire.
Le design peut être amélioré en augmentant la largeur de l'anneau d'usure, en augmentant la distance entre les surfaces de guidage, en optimisant les emplacements des axes ou des pivotements, et en améliorant l'alignement de montage.
Les axes, les bushing, les yeux de tige, les clevis et les supports doivent également être vérifiés pour l'usure et la déviation.
Une meilleure guidage maintient le piston et la tige alignés et réduit l'usure de l'étanchéité d'un côté.
Optimiser les surfaces de tige et la protection externe
La tige du piston nécessite une dureté, une rugosité, une résistance à l'usure et une résistance à la corrosion appropriées.
Une surface de tige rugueuse peut rapidement endommager le joint de tige, tandis qu'une finition inappropriée peut empêcher la formation d'un film lubrifiant stable.
Choisissez des revêtements et des traitements de surface en fonction de la température, de l'humidité, de l'embrun de sel, de la poussière, des produits chimiques et de l'exposition extérieure. Le revêtement de tube, l'essuie-glace et la protection contre la corrosion doivent également correspondre à l'environnement.
Près des sources de chaleur rayonnantes, changez la position de montage, ajoutez un bouclier réfléchissant ou envisagez un refroidissement externe. L'isolation ne doit pas piéger la chaleur autour du cylindre.
Réduire la chaleur et le choc de pression liés à la vitesse
Des cycles rapides, des inversions soudaines, une forte contre-pression lors du retour et des impacts à la fin du cycle augmentent la charge sur le joint et la température locale.
Pour les cylindres à cycles fréquents, réexaminez la taille des ports, le diamètre des tuyaux, la capacité de débit des vannes et l'amortissement. Une restriction excessive convertit l'énergie hydraulique en chaleur.
Un amortissement réglable, une décélération contrôlée, des circuits de contrôle de débit appropriés ou des accumulateurs peuvent réduire les pics de pression et les impacts.
Un joint qui fonctionne bien à pression et vitesse modérées peut échouer lorsque haute température, pression maximale et cycles rapides se produisent ensemble.
Renforcer la filtration et le contrôle de l'humidité
La haute température abaisse la viscosité de l'huile et affaiblit le film lubrifiant. De petites particules peuvent alors entrer en contact plus directement avec les tiges, les cylindres, les joints et les anneaux d'usure.
L'eau réduit la lubrification, promeut la corrosion et accélère l'oxydation. L'air, l'humidité et l'huile dégradée peuvent également contribuer à la formation de mousse, aux dépôts, au mouvement instable et aux dommages liés à la cavitation.
Utilisez une filtration de retour, de pression ou hors ligne appropriée. Filtrez l'huile neuve avant le remplissage, et nettoyez les cylindres, les tuyaux, les flexible et les manifolds avant l'assemblage.
Les aérateurs de réservoir doivent limiter l'entrée de poussière et d'humidité. L'état de l'huile, la teneur en eau, l'état du filtre et la propreté du réservoir doivent être surveillés.
Valider le cylindre par des tests à chaud
Un test de pression à température ambiante ne peut pas confirmer pleinement la fiabilité à haute température.
Tester le design final aux températures d'huile, pressions, vitesses, charges et fréquences de cycle proches de l'application réelle. Vérifiez :
- Stabilité des cycles à haute température
- Fuites externes et internes
- Maintien de la pression et de la charge à chaud
- Température autour de la tige, du tube, de la tête et des joints
- Amortissement, inversion et mouvement à basse vitesse
- Récupération du joint après chauffage et refroidissement
- Usure, extrusion, marquage ou dommage de surface après démontage
Pour les équipements fonctionnant en continu, les tests doivent simuler le temps de fonctionnement quotidien prévu. Quelques coups à vide après avoir atteint la température cible ne suffisent pas.
Informations requises pour un cylindre à haute température
Fournir au fabricant du cylindre :
- Températures ambiantes, d'huile continues et d'huile de pointe
- Pression de travail et éventuelles poussées de pression
- Alésage, tige, course et arrangement de montage
- Direction de charge et éventuelles charges latérales
- Vitesse d'extension et de rétraction
- Fréquence de cycle et temps de fonctionnement quotidien
- Type de fluide hydraulique et sources de chaleur externes
- Exigences en matière de maintien de charge et de fuite
- Conditions de poussière, d'eau, de corrosion et de nettoyage
Des données d'application précises permettent de concevoir le cylindre, les joints, l'huile, le système de refroidissement et la procédure de test en fonction des conditions réelles d'exploitation.
Conclusion
Un fonctionnement fiable à haute température dépend de plus que la cote de température d'un joint.
La génération de chaleur doit d'abord être contrôlée au niveau du système. L'huile doit maintenir une viscosité appropriée. Les joints, les jeux à chaud, le guidage, les surfaces de tige, la protection contre la corrosion, le contrôle de la contamination, les ports et l'amortissement doivent ensuite être conçus comme un seul système.
Enfin, le cylindre doit être validé par des tests à l'huile chaude, chargés et en cycle continu.
Ce n'est que lorsque le cylindre et le système hydraulique sont optimisés ensemble que les fuites, le dérive, l'usure, le collage et les défaillances prématurées des joints peuvent être réduits à long terme.
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