Un cylindre hydraulique peut s'étendre et se rétracter normalement lorsque la machine est déchargée, mais ralentir, s'arrêter ou ne pas maintenir la position une fois une charge de travail appliquée. Cela ne signifie pas nécessairement que le cylindre lui-même est défectueux. La perte de force peut provenir de la pompe, de la vanne de secours, de la vanne directionnelle, des tuyaux, des joints de cylindre ou de la liaison de la machine.
La force du cylindre dépend principalement de la différence de pression à travers le piston et de la surface effective du piston. Si la pression disponible diminue, l'huile contourne le piston ou une pression excessive se développe du côté de retour, la force de sortie utilisable du cylindre diminue. Un blocage mécanique et une géométrie de liaison défavorable peuvent également réduire la force qui atteint la charge.
Trouver la véritable cause nécessite des mesures de pression sous charge. Remplacer le cylindre ou la pompe avant de tester le système peut entraîner des coûts de réparation inutiles sans résoudre le problème initial.
Pourquoi un cylindre hydraulique perd-il de la force sous charge ?
Un cylindre hydraulique perd généralement de la force sous charge car la pression requise n'atteint pas le piston, l'huile fuit en interne à travers le piston ou les soupapes, la pression de retour réduit le différentiel de pression, ou la résistance mécanique absorbe une partie de la sortie du cylindre.
Comment la force du cylindre hydraulique est-elle générée
La relation théorique simplifiée entre la force du cylindre, la pression hydraulique et la surface effective du piston est :
F=P×AF=P\times A
Où ?
- F = force théorique du cylindre
- P = pression hydraulique
- A = surface efficace du piston
Pour l'extension du cylindre, la pression agit normalement sur l'ensemble de la surface du piston :
Ap=πD24A_p=\frac{\pi D^2}{4}
Pour la rétraction, la tige de piston occupe une partie de la surface disponible :
Aannular=π(D2−d2)4A_{\text{annular}}=\frac{\pi(D^2-d^2)}{4}
Par conséquent, un cylindre à tige simple conventionnel génère normalement moins de force de rétraction que de force d'extension à la même pression. Cette différence est normale et ne doit pas être confondue avec un dysfonctionnement.
Ces calculs représentent une force théorique. La force réelle à la machine est inférieure en raison de la friction des joints, des pertes de pression, de la pression côté retour et de l'efficacité mécanique. Les guides existants d'AISOAR expliquent les principes sous-jacents du calcul de force du cylindre hydraulique. et la relation entre capacité de charge et classe de pression.
La pression détermine la force ; le débit détermine la vitesse
La pression et le débit ont des fonctions différentes dans un système hydraulique. La pression exercée sur la surface du piston crée une force, tandis que le débit d'huile détermine la vitesse à laquelle le piston se déplace.
Un débit insuffisant fait généralement bouger un cylindre lentement. Une pression insuffisante l'empêche de surmonter la charge. Cependant, les restrictions, les pompes usées et les fuites de valves peuvent affecter à la fois la pression et le débit, de sorte qu'une machine peut être lente et faible en même temps.
L'observation la plus utile est de savoir si le cylindre atteint la pression requise lorsqu'il rencontre la charge. Un manomètre permet aux techniciens de déterminer si la pompe produit une pression suffisante ou si le défaut se situe ailleurs dans le système. Enerpac identifie également les manomètres comme un outil essentiel pour le dépannage..
Principales raisons pour lesquelles un cylindre hydraulique devient faible sous charge
1. La pression du système est trop basse
Si la pression atteignant le cylindre est inférieure à la pression requise pour surmonter la charge, le piston ralentira ou s'arrêtera. Le cylindre peut encore se déplacer normalement sans charge car seule une petite quantité de force est nécessaire pour surmonter la friction interne.
Une pression basse peut résulter d'une pompe usée, d'une vitesse d'entraînement de pompe insuffisante, de restrictions sur la ligne d'aspiration, d'un niveau d'huile inadéquat ou de l'air entrant dans l'entrée de la pompe. L'usure excessive de la pompe crée des fuites internes, réduisant la capacité de la pompe à maintenir la pression lorsque la demande augmente.
La viscosité de l'huile influence également les performances de la pompe. Une huile trop épaisse peut créer des problèmes d'aspiration, surtout lors des démarrages à froid, tandis qu'une huile qui devient trop fine à haute température peut augmenter les fuites internes à travers la pompe, les vannes et les joints de cylindre.
2. La soupape de décharge s'ouvre trop tôt
La soupape de décharge limite la pression maximale dans le circuit hydraulique. Lorsque la pression du système atteint son réglage, la soupape détourne l'huile de l'actionneur pour protéger le système de la surcharge.
Si la soupape de décharge est réglée en dessous de la pression requise par la charge, contaminée, usée ou bloquée à moitié ouverte, l'huile retourne au réservoir avant que le cylindre ne développe une force suffisante. Le cylindre peut s'arrêter presque à la même charge à chaque cycle de fonctionnement tandis que l'huile hydraulique chauffe rapidement.
Ne augmentez pas simplement le réglage de la soupape de décharge pour rendre le cylindre plus fort. Le cylindre, la pompe, les vannes, les tuyaux et les raccords doivent tous être classés pour la pression proposée. L'exigence en matière de pression doit d'abord être calculée à partir de la charge réelle et de la surface effective du piston.
3. La pompe ne peut pas maintenir la pression sous charge
Une pompe hydraulique usée peut créer un mouvement apparemment normal à faible résistance mais échouer à maintenir la pression lorsque le cylindre rencontre la charge de travail. Les jeux internes de la pompe permettent à plus d'huile de contourner à mesure que la pression augmente, surtout lorsque l'huile est chaude.
Pour identifier ce problème, mesurez la pression près de la sortie de la pompe et comparez-la avec la pression à l'entrée du cylindre. Si la pression de la pompe ne peut pas atteindre le réglage de la soupape de décharge lors d'un test contrôlé, inspectez la pompe, son système d'entraînement, la ligne d'entrée et le circuit de décharge.
Un problème de pompe ne doit pas être diagnostiqué uniquement à partir de la vitesse du cylindre. Un grand cylindre peut se déplacer lentement même avec une pompe en bon état si le débit disponible est faible, mais il devrait néanmoins être capable de développer la force attendue une fois la pression suffisante atteinte.
4. L'huile contourne le joint du piston
Les joints de piston séparent les deux chambres de pression à l'intérieur du cylindre. Si ces joints sont usés, coupés, surchauffés ou endommagés par la contamination, l'huile peut contourner de la chambre pressurisée à la chambre opposée.
Le cylindre peut continuer à se déplacer sans charge car le volume de fuite est relativement petit par rapport au débit de la pompe. Sous charge, cependant, la pression augmente et plus d'huile contourne le joint endommagé. Le cylindre se déplace alors lentement, cale ou dérive après que la vanne de contrôle soit revenue à la position neutre.
La fuite interne du piston ne produit pas toujours de l'huile visible à l'extérieur du cylindre. Les symptômes courants incluent :
- Force diminuant à mesure que l'huile devient plus chaude
- Mouvement ralentissant de manière significative sous charge
- Difficulté à maintenir la position
- Performance inégale entre l'extension et la rétraction
- Pression présente même si la charge ne bouge pas
Un test de contournement du cylindre ou un test de contrôle de port peut aider à confirmer la fuite interne. Étant donné que la pression hydraulique piégée et les charges non soutenues sont dangereuses, ces tests ne doivent être effectués que par du personnel formé utilisant la procédure approuvée par le fabricant du cylindre.
5. Une vanne de contrôle fuit en interne
L'huile peut également contourner à travers la vanne de contrôle directionnelle, la vanne proportionnelle, la vanne de contrepoids ou la vanne de maintien de charge. Un spool de vanne usé ou un siège de vanne contaminé peut permettre à l'huile sous pression de s'échapper vers la ligne de retour au lieu d'entrer dans le cylindre.
Cette condition peut ressembler à un joint de piston endommagé. Les deux défauts peuvent provoquer une perte de pression, un mouvement faible et un dérèglement de la charge. Pour cette raison, tester uniquement le cylindre sans évaluer le circuit de valve peut conduire à un diagnostic incorrect.
Dans la mesure du possible, mesurez la pression aux deux ports du cylindre et isolez systématiquement les sections du circuit. Si le cylindre fonctionne correctement avec une alimentation hydraulique externe vérifiée, le problème est plus probablement situé dans la vanne, la pompe ou la plomberie de la machine.
6. Une pression de retour excessive réduit la force utilisable
La force du cylindre dépend de la différence de pression à travers le piston plutôt que de la pression d'entrée seule. Si une haute pression se développe du côté échappement, elle agit contre la direction de mouvement souhaitée.
Pour l'extension, la force nette approximative est :
Fnet=(Pcap×Ap)−(Prod×Aannulaire)−FfrictionF_{\text{net}}=(P_{\text{cap}}\times A_p)-(P_{\text{rod}}\times A_{\text{annular}})-F_{\text{friction}}
Un filtre de retour restreint, une tuyauterie sous-dimensionnée, un connecteur rapide bloqué, une valve partiellement déplacée ou une valve de contrebalance mal réglée peuvent créer une pression de retour excessive. Un manomètre au port d'alimentation peut donc montrer une pression apparemment adéquate même si la différence de pression à travers le piston est insuffisante.
Mesurer les deux ports du cylindre sous charge fournit un diagnostic beaucoup plus précis que de mesurer uniquement la pression de la pompe.
7. Tuyaux, connecteurs ou ports restreignent le flux d'huile
Un revêtement de tuyau endommagé peut s'effondrer à l'intérieur sans dommage extérieur évident. Les connecteurs rapides peuvent sembler connectés mais restent partiellement fermés, et des raccords ou des vannes contaminés peuvent restreindre le chemin de l'huile.
Les restrictions sont généralement associées à un mouvement lent, mais elles peuvent également contribuer à une perte de force apparente pendant que le cylindre est en mouvement. Les chutes de pression se produisent à travers le composant restreint, donc la pression disponible à l'actionneur peut être inférieure à la pression mesurée près de la pompe.
Comparez les mesures de pression avant et après les restrictions suspectées pendant que le cylindre fonctionne sous une charge contrôlée. Une différence de pression substantielle indique une restriction ou un composant mal dimensionné.
8. Le cylindre est sous-dimensionné pour la charge réelle
Le cylindre peut fonctionner correctement mais être incapable de déplacer la machine car sa taille de perce est trop petite pour la charge réelle et la pression du système. Cela se produit couramment lorsque la charge a augmenté, que la géométrie de la machine a changé ou qu'un cylindre de remplacement a une surface efficace plus petite que l'original.
La force de cylindre requise doit inclure plus que le poids nominal de la charge. La friction, l'accélération, les charges d'impact, la géométrie de liaison et une marge de conception appropriée doivent également être prises en compte.
Un cylindre qui nécessite que la valve de décharge reste ouverte en continu pendant le fonctionnement normal n'est pas correctement ajusté à l'application. Augmenter la pression au-delà de la capacité du composant n'est pas une solution acceptable pour un cylindre sous-dimensionné.
9. La géométrie de liaison réduit la force à la charge
La force produite au niveau de la tige de piston n'est pas toujours égale à la force utile délivrée par la machine. Les leviers, bras pivotants et mécanismes ciseaux changent l'avantage mécanique tout au long de la course.
Un mécanisme de levage peut avoir un mauvais avantage mécanique au début de son mouvement. Le cylindre peut donc nécessiter sa force maximale pendant les premiers millimètres d'extension, même si la charge elle-même n'a pas changé.
Calculez la force de cylindre requise à l'angle de liaison le plus défavorable—pas seulement au midpoint de la course. Les emplacements des pivots et les positions de montage du cylindre doivent également être vérifiés par rapport au dessin de la machine d'origine.
10. Mauvais alignement ou charge latérale crée une résistance mécanique
Les cylindres hydrauliques sont principalement conçus pour transmettre une force axiale. Si la tige, la charge et l'axe du cylindre ne sont pas alignés, une force latérale agit sur la tige du piston, le gland, les roulements et les joints.
Cela augmente le frottement et peut donner l'impression que le cylindre est faible. Une charge latérale à long terme peut également provoquer une usure inégale des roulements, des joints endommagés, des rayures sur le baril ou une tige de piston tordue.
Enerpac identifie la charge latérale, le manque de support du cylindre et le contact de charge incorrect comme des causes significatives de dommages au cylindre et de réduction des performances. Il recommande de maintenir le cylindre stable et correctement aligné avec la charge. Directives de sécurité Enerpac pour les cylindres.
Comment diagnostiquer un cylindre hydraulique qui perd de la force
Commencez par les vérifications les plus sûres et les moins invasives. Soutenez ou bloquez mécaniquement toute charge suspendue avant d'inspecter le circuit hydraulique. Ne jamais desserrer un tuyau, un raccord ou un port de cylindre pour vérifier la pression.
Étape 1 : Confirmer la charge réelle et la force requise
Vérifiez le poids de la charge, la direction du mouvement et la géométrie de liaison. Calculez la force théorique du cylindre en utilisant la pression de fonctionnement disponible et la surface efficace du piston.
Rappelez-vous qu'un cylindre à tige unique produit des forces d'extension et de rétraction différentes. Confirmez que le problème n'est pas simplement causé par l'attente d'une force d'extension complète à travers la zone annulaire plus petite lors de la rétraction.
Étape 2 : Observer les symptômes dans des conditions contrôlées
Faites fonctionner le cylindre sans charge, puis sous une charge contrôlée et sûre. Enregistrez si le problème se produit pendant l'extension, la rétraction ou dans les deux directions.
Notez également si l'état s'aggrave à mesure que l'huile chauffe. La perte de performance sensible à la température indique souvent une fuite interne accrue à travers la pompe, la vanne ou les joints du piston.
Étape 3 : Mesurer la pression à la pompe et au cylindre
Installez des manomètres appropriés au niveau de la sortie de la pompe et des ports du cylindre. Observez les lectures uniquement pendant que la machine fonctionne sous une charge contrôlée.
Les modèles suivants fournissent des indices utiles :
| Observation de la pression | Direction probable pour le diagnostic |
|---|---|
| La pression de la pompe reste basse | Pompe, entraînement, tuyau d'aspiration ou soupape de décharge |
| La pression de la pompe est élevée mais la pression d'entrée du cylindre est basse | Soupape, tuyau, coupleur ou restriction de ligne |
| La pression d'entrée est élevée et la pression de retour est également élevée | Restriction de retour, soupape de contrepoids ou problème de soupape |
| La pression requise est atteinte mais le cylindre se bloque ou dérive | Fuite interne du cylindre, fuite de soupape ou blocage mécanique |
| La pression monte directement au réglage de décharge | Surcharge, cylindre sous-dimensionné, blocage ou mauvaise géométrie de liaison |
Les relevés de pression doivent être comparés aux valeurs de conception de la machine. Un relevé élevé n'est pas automatiquement correct, et un relevé apparemment faible peut être normal lorsque la charge nécessite peu de force.
Étape 4 : Vérifiez la soupape de décharge et le circuit de soupape
Confirmez que le réglage de la soupape de décharge correspond aux spécifications approuvées du système. Inspectez la soupape pour détecter toute contamination, un fonctionnement instable et une chaleur excessive autour du passage de retour.
Vérifiez les vannes directionnelles, de maintien de charge et de contrebalancement pour les fuites internes ou les réglages incorrects. Ne pas démonter ni ajuster une vanne de contrôle de charge tant qu'elle supporte une charge.
Étape 5 : Tester pour les fuites internes du cylindre
Si la pression correcte atteint le cylindre mais que la performance de maintien de la force ou de la charge reste médiocre, testez les fuites du joint de piston en utilisant une méthode approuvée.
Le test doit tenir compte de la compressibilité de l'huile, de l'expansion thermique, des fuites de vanne et de la conception du cylindre. L'huile observée à un port isolé ne prouve pas toujours le contournement du piston sauf si la configuration du test et la position du piston sont correctement contrôlées.
Étape 6 : Inspecter l'alignement mécanique
Déconnectez la charge seulement après que la machine a été mise en sécurité. Inspectez les goupilles, les busages, les glissières, les roulements et les bras de liaison pour blocage, usure ou déformation.
Recherchez des zones polies d'un côté de la tige de piston, une usure inégale des joints, des supports de montage tordus et des goupilles endommagées. Ces signes indiquent que des forces mécaniques peuvent agir en dehors de l'axe central du cylindre.
Pression, débit et fuite : une comparaison rapide
| État | Comportement typique sans charge | Comportement sous charge | Test courant |
|---|---|---|---|
| Faible débit de pompe | Mouvement lent | Mouvement lent | Test de débit |
| Faible pression dans le système | Peut se déplacer normalement | S'arrête ou ne peut pas soulever | Test de pression |
| Fuites internes du piston | Peut sembler normal | Faible, lent ou dérivant | Test de contournement du cylindre |
| Fuite de vanne | Peut sembler normal | Mouvement faible ou dérive de charge | Isolement du circuit |
| Haute pression de retour | Lent ou irrégulier | Force nette réduite | Mesurer les deux ports |
| Blocage mécanique | Inégal ou saccadé | Haute pression mais peu de mouvement | Inspection mécanique |
| Cylindre sous-dimensionné | Se déplace sans charge | Atteint la pression de décharge et s'arrête | Calcul de force |
Quand le cylindre doit-il être réparé ou remplacé ?
La réparation peut être appropriée lorsque les tests confirment des joints de piston usés, des joints de tige endommagés, des roulements usés ou des dommages réparable au cylindre. Le cylindre ne doit être démonté qu'une fois que les contrôles de contamination et les procédures de dépressurisation sécurisées sont établis.
Le remplacement peut être plus approprié lorsque la tige est gravement pliante, le cylindre est profondément rayé, les structures de montage soudées sont fissurées ou les réparations précédentes ont modifié des dimensions critiques. Pour les cylindres sur mesure, le remplacement doit être basé sur des dessins vérifiés, la pression, la charge, la course, les dimensions de montage et la géométrie d'application.
Ne remplacez pas le cylindre uniquement parce que la machine est faible. Si le véritable problème est une pompe, une vanne de décharge, une vanne de contrôle ou un lien mécanique, un nouveau cylindre montrera le même problème de performance.
Questions fréquemment posées
Pourquoi mon cylindre hydraulique se déplace-t-il sans charge mais s'arrête sous charge ?
Se déplacer sans charge nécessite relativement peu de pression. Lorsque le cylindre rencontre une résistance, la pression doit augmenter suffisamment pour produire la force requise. Si la pompe, la vanne de décharge ou le circuit ne peuvent pas maintenir cette pression - ou si l'huile contourne à l'intérieur - le cylindre s'arrête.
Un cylindre hydraulique peut-il avoir de la pression tout en produisant une force insuffisante ?
Oui. La pression mesurée près de la pompe peut ne pas être la même que la pression effective au niveau du piston du cylindre. Les pertes de soupape, la pression de retour, les fuites internes et la friction mécanique peuvent réduire la force disponible au niveau de la charge.
Un faible débit hydraulique réduit-il la force du cylindre ?
Un faible débit réduit principalement la vitesse du cylindre. Cependant, une pompe usée ou une restriction sévère peut être incapable de maintenir la pression requise pendant que l'huile circule, ce qui fait que le cylindre semble à la fois lent et faible.
Comment puis-je savoir si la pompe ou le cylindre est défectueux ?
Mesurez la pression à la sortie de la pompe et aux ports du cylindre sous une charge contrôlée. Si la pompe ne peut pas développer la pression spécifiée, vérifiez la pompe, la ligne d'aspiration et la soupape de décharge. Si la pression correcte atteint le cylindre mais qu'il ne peut pas maintenir ou déplacer la charge, vérifiez les fuites internes du cylindre, les fuites de soupape et les blocages mécaniques.
L'huile hydraulique chaude peut-elle faire perdre de la force à un cylindre ?
Oui. À mesure que la température de l'huile augmente, la viscosité diminue. Une température excessive peut augmenter les fuites internes à travers les jeux de pompe usés, les éléments de soupape et les joints de piston, réduisant la capacité du système à maintenir la force sous charge.
Devrais-je augmenter la pression de la soupape de décharge lorsque le cylindre est faible ?
Pas tant que l'exigence de charge et l'état du système n'ont pas été vérifiés. Augmenter la pression au-delà de la limite approuvée peut endommager le cylindre, la pompe, les soupapes, les tuyaux ou la structure de la machine et peut créer un risque sérieux pour la sécurité.
Conclusion
Un cylindre hydraulique qui perd de la force sous charge n'est pas automatiquement un cylindre défectueux. Le problème peut être causé par une pression de système insuffisante, un valve de décharge mal fonctionnant, l'usure de la pompe, le contournement du joint du piston, des fuites de valve, une pression de retour excessive, des conduits restreints ou une résistance mécanique.
Le diagnostic le plus fiable commence par la charge réelle et la force requise du cylindre, suivi des mesures de pression aux deux ports du cylindre. L'isolation du circuit et les tests de fuite interne peuvent ensuite distinguer un problème de cylindre d'un problème de pompe, de valve ou de machine.
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