Transcript BM6010

Fluides hydrauliques
Fonctions. Classification
Gérard DALLEMAGNE
par
Ingénieur au département Matériaux
Centre commun de recherches Louis-Blériot de l’Aérospatiale
1.
1.1
1.2
1.3
1.4
Fonctions et sollicitations des fluides hydrauliques .....................
Caractéristiques de viscosité ......................................................................
Résistance à la dégradation ........................................................................
Pouvoir lubrifiant .........................................................................................
Corrosion ......................................................................................................
2.
2.1
2.2
Classification des fluides hydrauliques .............................................
Fluides industriels........................................................................................
Fluides embarqués en aéronautique..........................................................
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Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. BM 6 018
L
es fluides hydrauliques sont des vecteurs de force.
Que faut-il entendre par
fluide hydraulique ?
Ils ne diffèrent des huiles lubrifiantes que par des détails, à tel point que, dans
des conditions d’utilisation normale, par exemple, une huile minérale, pour
autant qu’elle ne soit pas trop visqueuse, peut être à la fois une huile lubrifiante
et un fluide hydraulique. Lorsqu’on se livre à un travail d’investigation sur une
composition synthétique, il est bien difficile de dire a priori « sur quoi on va
déboucher » ; ce n’est qu’un inventaire des propriétés qui permet l’orientation
finale.
Fonctions du fluide
hydraulique
Le fluide hydraulique est souvent répertorié comme un fluide fonctionnel. Il
faut entendre par là un fluide sans lequel la machine ne peut fonctionner.
La principale fonction du fluide dans un système hydraulique est de transmettre une force appliquée en un point à un autre point. L’effort doit pouvoir être
transmis rapidement et avec précision. Pour accomplir avec satisfaction sa fonction, le fluide doit pouvoir s’écouler aisément dans des conditions de température les plus variées et être aussi incompressible que possible.
Par ailleurs, il faut que les conditions de service soient optimales et que le coût
d’exploitation soit raisonnable.
Pour accomplir ses fonctions primordiales, le fluide doit cumuler un ensemble
de qualités telles que : bon pouvoir lubrifiant, bon coefficient de transfert de chaleur, bon pouvoir antiusure et, autant que faire se peut, bonne résistance au feu.
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FLUIDES HYDRAULIQUES ________________________________________________________________________________________________________________
1. Fonctions et sollicitations
des fluides hydrauliques
Généralement, on définit 21 caractéristiques ou qualités qu’il y a
lieu de prendre en considération [1]. Il est intéressant d’en donner
une énumération :
— stabilité à la chaleur, à l’oxydation et à l’hydrolyse ;
— propriétés « viscosité-température » ;
— résistance au feu ;
— module de compressibilité ;
— aptitudes lubrifiantes ;
— compatibilité et non-corrosivité vis-à-vis des matériaux constituant le système hydraulique ;
— volatilité ;
— résistance aux radiations ;
— tendance à la détérioration ;
— facteur coût compte tenu des performances ;
— durée de service ;
— tendance à la cavitation ;
— toxicité ;
— facilité de manipulation et de stockage ;
— coefficient de transfert de chaleur ;
— coefficient d’expansion ;
— masse volumique ;
— compatibilité avec les autres matériaux extérieurs au circuit
hydraulique et se trouvant à proximité dans la machine ;
— propriétés électriques telles que conductivité, constante diélectrique, etc. ;
— tendance au moussage, persistance de la mousse et relargage
des gaz occlus ;
— possibilité de régénération, etc. ;
cette liste de propriétés n’est pas limitative.
Entre autres caractéristiques précitées propres au fluide, les critères de choix des fluides hydrauliques doivent également tenir
compte à la fois des caractéristiques de l’équipement et de l’environnement [2] [3].
Le fluide idéal n’existe, bien sûr, que pour les besoins des calculs.
Dans la pratique, il doit être adapté à l’emploi pour lequel il est
requis et le choix final est le résultat d’un compromis où force est de
tenir compte des facteurs principaux.
1.2 Résistance à la dégradation
Un fluide hydraulique destiné à travailler à des températures élevées doit avoir une excellente stabilité thermique assortie d’une
bonne résistance à l’oxydation et à l’hydrolyse. Il faut que le fluide
exposé à la chaleur n’engendre pas rapidement des quantités excessives de matières parasites telles que boues, vernis et matières corrosives qui perturberaient la bonne marche du système en
contrariant les débits, en colmatant certains orifices ou filtres, et en
favorisant l’usure des surfaces en contact. La dégradation du fluide
peut encore se manifester par des produits gazeux de décomposition qui peuvent être à l’origine d’un phénomène de cavitation. En
fait, cette cavitation risque de se produire chaque fois que, dans un
système liquide-gaz, il se forme des poches de gaz qui peuvent être
comprimées par la suite.
La dégradation thermique est accélérée par la présence d’oxygène. Dans un circuit hydraulique fonctionnant à haute température,
tout est mis en œuvre pour éviter le contact avec l’air. Néanmoins, il
est très difficile d’éviter tout contact du seul fait qu’il existe toujours
une certaine quantité d’oxygène dissous dans le fluide. D’un autre
côté, cet oxygène n’a pas que des effets néfastes car, avec certains
métaux, il forme des films d’oxyde protecteurs qui facilitent la lubrification et évitent la corrosion.
Il en va de l’eau comme de l’oxygène. Il est aisé de se protéger des
entrées d’eau en équipant les réservoirs d’évents de respiration
capables de stopper l’humidité, mais, dans un système hydraulique
étendu, il est impossible de maintenir le fluide complètement anhydre. Il faut donc tenir compte de la résistance à l’hydrolyse lors du
choix du fluide hydraulique.
1.3 Pouvoir lubrifiant
Pour assurer avec succès sa fonction, le fluide hydraulique doit
pouvoir bien lubrifier toutes les parties en mouvement et réduire au
minimum les frictions. Suivant les conditions rencontrées dans le
système hydraulique, la lubrification peut se faire soit en régime
hydrodynamique, soit en régime onctueux [4], et il faut adapter en
conséquence les qualités lubrifiantes du fluide. Ce qui influe fortement sur le niveau de performance, c’est, d’une part, le type de la
pompe et, d’autre part, la pression de service.
1.4 Corrosion
1.1 Caractéristiques de viscosité
Un fluide de viscosité mal adaptée peut entraîner des ennuis plus
ou moins graves tels que glissement de la pompe, usure par augmentation du frottement, fuite, etc.
Une viscosité trop forte crée un frottement interne plus grand,
augmente la température, avec tout ce que cela comporte, et accroît
la consommation de puissance.
Une viscosité trop faible favorise les fuites. Elle peut entraîner un
glissement de la pompe se traduisant par une perte de rendement,
une augmentation de la température et de l’usure des pièces en
mouvement.
La stabilité de la viscosité n’est pas chose facile à réaliser. Il faut
tout d’abord que l’indice de viscosité soit bon, que le fluide en
vieillissant n’augmente pas trop de viscosité, qu’il soit peu sensible
au cisaillement. Il faut aussi tenir compte que la pression augmente
la viscosité (de 15 à 45 % pour 100 hPa).
Étant donné que les masses volumiques des fluides synthétiques
sont disparates, il vaut mieux considérer les viscosités absolues
dynamiques que les viscosités cinématiques (cf. article [BM 6 012]
de ce traité).
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Des phénomènes de corrosion peuvent se produire par suite de
l’interférence du fluide avec le système hydraulique. Trois types de
corrosion sont susceptibles de se manifester : la corrosion électrochimique, la corrosion érosive et la corrosion fissurante sous
contrainte. Le premier type est le plus à craindre. Il peut se manifester par des piqûres, des craquelures, une attaque uniforme ou
intergranulaire. La corrosion érosive se remarque surtout aux surfaces affleurantes animées de mouvements légers.
Les phénomènes de corrosion sont souvent difficiles à prévoir au
banc d’essai. Ils se signalent en cours de service, ce qui ne manque
pas de compliquer le problème.
2. Classification des fluides
hydrauliques
Pour le détail des normes et spécifications citées dans ce paragraphe, on se reportera au « Pour en savoir plus » Doc. [BM 6 018].
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2.1 Fluides industriels
Un système général de classification a été développé pour les
lubrifiants, les huiles industrielles et les produits connexes, désignés par la lettre préfixe « L ». Il a fait l’objet de la norme internationale ISO 6743. À l’intérieur de cette classe « L », 18 familles de
produits ont été définies selon le domaine d’emploi de chacune, afin
de couvrir, autant que possible, toutes les applications où ils interviennent.
Dans ce système général de classification, les fluides utilisés dans
les circuits hydrauliques industriels ont été désignés par la lettre
préfixe « H ». Ce système a été détaillé dans la norme française
NF E 48-602 (» ISO 6743/4). Les liquides de frein pour l’automobile
et les fluides pour systèmes hydrauliques utilisés en aéronautique à
bord des aéronefs ne sont pas assujettis à cette normalisation ; ces
derniers feront l’objet du paragraphe 2.2.
Le principe de cette classification repose sur la définition de catégories de produits nécessaires aux principales applications hydrauliques particulières et, au stade ultime de la subdivision, fait appel à
la composition des produits correspondants. Chaque catégorie est
désignée par un symbole constitué d’un groupe de lettres dont
l’ensemble forme un code. La première lettre du code « H » identifie
la famille du produit considéré, mais les autres lettres sont prises
isolément sans être affectées d’aucune signification propre. Cette
désignation de chaque catégorie peut être complétée par l’addition
de classe de viscosité (cf. NF T 60-141). Dans le présent système de
classification, la désignation des produits est effectuée de façon uniforme.
■ Les différentes catégories de fluides hydrauliques
Suivant le type d’application, deux grandes familles de fluides
hydrauliques sont utilisées :
— les huiles hydrauliques minérales ;
— les fluides difficilement inflammables.
Si la norme NF E 48-602 définit les différentes catégories des fluides hydrauliques, la norme NF E 48-603 fixe la liste de leurs principales caractéristiques et des exigences afférentes.
●
Les huiles minérales
Les différentes catégories de fluides retenues par la norme
NF E 48-602 sont :
— HH : huiles non inhibées ;
— HL : huiles possédant des propriétés antioxydantes et anticorrosion particulières ;
— HM : huiles HL possédant des propriétés antiusure particulières ;
— HR : huiles HL possédant des propriétés « viscositétempérature » améliorées ;
— HV : huiles HM possédant des propriétés « viscosité-température » améliorées ;
— HS : huiles de synthèse ne possédant aucune propriété particulière de résistance au feu ;
— HG : huiles destinées aux systèmes hydrauliques et aux glissières de machines-outils ; il s’agit de fluides du type HM qui possèdent des propriétés anti-« stick-up ».
Pratiquement :
— Les fluides HH sont des huiles minérales pures qui, si elles
remplissent correctement le premier rôle des fluides hydrauliques, à
savoir transmettre l’énergie, peuvent ne pas remplir le second qui
consiste à protéger et lubrifier les organes du circuit ;
— les fluides HL sont pour la plupart des huiles du type
« turbine ». Ils présentent un excellent comportement vis-à-vis de
l’eau. Ils sont préconisés dans les installations à moyenne pression
et lorsque les additifs antiusure ne sont pas nécessaires ;
— quant aux fluides HM et HV, ils sont les plus usités.
D’autres huiles minérales peuvent être utilisées dans les circuits
hydrauliques. Notons en particulier :
— pour les applications à très basses températures (» – 50 oC),
les huiles à très haut indice de viscosité et très bas point d‘écoulement qui correspondent à la norme AIR 3520 (cf. § 2.2) ;
— les huiles moteur et huiles pour transmissions hydrocinétiques. Ces huiles possèdent la plupart des propriétés de leurs
homologues hydrauliques. Elles sont préconisées par différents
constructeurs dans le domaine des travaux publics en parallèle avec
les huiles hydrauliques ;
— les huiles hydrauliques détergentes qui correspondent à la
catégorie HM ; elles sont dotées de propriétés détergentes leur permettant d’absorber des quantités appréciables d’eau.
●
Les fluides difficilement inflammables
Dans certaines industries, la présence de matières inflammables
ou portées à très hautes températures peut provoquer l’inflammation des huiles hydrauliques minérales, lors de la rupture accidentelle d’une tuyauterie, par exemple.
L’utilisation de fluides difficilement inflammables est impérative
dans ce cas. Ces fluides ont été principalement développés en
France pour les Charbonnages de France.
La partie relative aux fluides difficilement inflammables des normes NF E 48-602 et NF E 48-603 est d’ailleurs en accord avec les travaux des Charbonnages de France et de la CECA.
Les différentes catégories de fluides retenues sont :
— HFAE : émulsions d’huile dans l’eau avec typiquement plus de
80 % d’eau ;
— HFAS : solutions chimiques aqueuses avec typiquement plus
de 80 % d’eau ;
— HFB : émulsions d’eau dans l’huile ;
— HFC : solutions aqueuses de polymères avec typiquement
moins de 80 % d’eau ;
— HFDR : fluides de synthèse sans eau, constitués d’esters
phosphoriques ;
— HFDS : fluides de synthèse sans eau, constitués d’hydrocarbures chlorés ;
— HFDT : fluides de synthèse sans eau, constitués de mélanges
de fluides HFDR et HFDS ;
— HFDU : fluides de synthèse sans eau, constitués d’autres
compositions de fluides.
Dans les circuits hydrauliques industriels, les fluides difficilement
inflammables les plus utilisés sont ceux de la catégorie HFC. Aux
catégories HFAE et HFAS pourraient se rattacher les fluides à forte
teneur en eau (fluide type 95/5 ou HWBF High Water Base Fluids ),
usités plus pour leur caractère économique que pour leur propriété
de résistance au feu.
2.2 Fluides embarqués en aéronautique
Avant la Seconde Guerre mondiale, les fluides hydrauliques
étaient constitués soit par de l’huile de ricin, soit par des mélanges
d’alcool ou des huiles minérales. Les exigences étaient modestes et
les différents types de fonctions étaient satisfaits par l’emploi de l’un
ou de l’autre de ces produits. La période de 1940 à 1950 a vu l’avènement des fluides à base d’hydrocarbure pétrolier, fluide hydraulique standard, symbolisés par FHS et répondant aux spécifications
MIL-H-5606 (USA), AIR 3520 (France) et DTD 585 (Grande-Bretagne).
Ils sont constitués d’une huile minérale légère épaissie par un polymère qui en améliore la courbe de viscosité. La volatilité d’une semblable composition en limite l’emploi aux températures élevées
(70 °C). Ces fluides présentent d’autres défauts : pouvoir lubrifiant
passable, inflammabilité et oxydabilité très grandes. Cette sensibilité à l’oxydation impose l’utilisation d’un liquide de stockage longue durée des organes comportant un inhibiteur de corrosion (AIR
1506). Cependant, le FHS s’est avéré tout à fait satisfaisant pour
l’aviation à turbopropulseur ainsi que pour les premiers aéronefs à
turboréacteurs français (Caravelle, Corvette, Mystères 10, 20 et 50,
etc.). Ils ont été pendant longtemps les meilleurs fluides et, par
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suite, les plus utilisés. Durant la même période, les fluides à base
d’esters phosphoriques ont vu le jour. Ils ont le mérite d’être résistants au feu et de présenter un bon indice de viscosité. Mais, comme
les FHS, leur principal défaut est leur mauvaise stabilité thermique.
Ils deviennent instables à partir de 100 oC et sensibles à l’hydrolyse.
Depuis 1950, un effort général a été réalisé pour disposer de fluides
ayant une résistance thermique continuellement améliorée. De nouveaux dérivés organiques ont été expérimentés. Ils ont intrinsèquement une bonne courbe de viscosité. Des améliorants de viscosité
plus stables ont été mis au point. Actuellement, le développement
de l’aviation supersonique et de l’astronautique met l’accent sur une
stabilité accrue des fluides à des températures de plus en plus élevées qui, inévitablement, conduit à des concessions dans d’autres
domaines (par exemple, le comportement rhéologique à basse température).
Compte tenu de cette évolution, la classification des fluides
hydrauliques est nécessairement basée sur l’endurance thermique
(stabilité). C’est sur cette base que l’US Air Force a défini cinq catégories de fluides hydrauliques pour couvrir ses besoins [5] :
— type I : domaine de température [– 54 oC , + 71 oC], pour
lequel de nombreux fluides à base minérale sont qualifiés ;
— type II : domaine de température [– 54 oC , + 135 oC], qui est
satisfait par des compositions à base d’huile minérale, tel le FHS ;
— type III : domaine de température [– 54 oC , + 204 oC], qui est
satisfait par l’emploi d’huiles synthétiques, tels les fluides répondant à la spécification MIL-H-8446 (USA) ;
— type IV : domaine de température [– 54 oC , + 288 oC] ;
— type V : domaine de température [– 54 oC , + 700 oC].
Les types IV et V ne font pas encore l‘objet de spécification bien
définie. Plusieurs compositions sont dès maintenant acceptables,
pour autant que l’on puisse admettre d’assouplir les exigences à
basse température.
Sans être officiellement établi, il existe un type VI. Pour ce groupe,
on propose un domaine de température de [– 7 oC , + 540 oC]. Il est
d’ailleurs fort possible qu’il faille restreindre cette fourchette.
Les autres fluides hydrauliques usités dans l’aéronautique sont
les suivants.
■ Huiles minérales surraffinées
Mises au point pour satisfaire aux exigences hydrauliques de
l’astronautique, elles sont utilisables dans le domaine de température [– 54 oC , + 350 oC]. Ces fluides sont d’un usage peu répandu.
Ils ne semblent pas, d’après le fournisseur, présenter de défauts
typiques par rapport aux fluides synthétiques.
■ Hydrocarbures fluorés ou chlorés
Ils ont une bonne résistance au feu et sont thermiquement stables, même en présence d’eau. Par contre, ils ont un mauvais indice
de viscosité, sont relativement volatils et ont un mauvais pouvoir
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lubrifiant. Ils sont assez peu utilisés et d’un coût très élevé. Ils sont
difficilement améliorables à cause de leur grande sensibilité aux
additifs classiques.
■ Hydrocarbures de synthèse
Ils tendent à remplacer de plus en plus le FHS dans les circuits
hydrauliques des hélicoptères et des avions militaires, essentiellement pour des raisons de meilleures propriétés d’ininflammabilité
que le FHS. Ils répondent à la spécification américaine MIL-H-83 282.
Ils sont compatibles avec le FHS et peuvent être substitués à ce dernier sans aucune modification du circuit hydraulique. Pour cela, il
suffit de vidanger le FHS du système et de remplir le circuit avec ces
fluides de synthèse. Les garnitures d’étanchéité élastomériques en
NBR, compatibles avec le FHS, le sont également avec ces hydrocarbures de synthèse [6] [7].
■ Autres fluides synthétiques
Ils sont obtenus généralement à partir d’une base ininflammable
à laquelle on ajoute divers adjuvants en vue d’optimiser ses caractéristiques hydrauliques. La composition qualitative et quantitative est
propre à chaque fournisseur. En plus des esters phosphoriques déjà
mentionnés, nous ne donnerons ici que quelques exemples pour
chacune des sous-catégories suivantes, l’ensemble de ces produits
étant détaillé dans l’article [BM 6 014] de cette rubrique.
●
Esters de polyglycols
Ils ont de bonnes qualités hydrauliques jusqu’au voisinage de
200 oC. Notons qu’ils sont incompatibles avec les additifs et surtout
avec les fluides dérivés du pétrole.
●
Diesters
Ils sont thermiquement stables, mais assez peu résistants au feu.
Ils présentent par ailleurs de bonnes caractéristiques hydrauliques :
viscosité-température (sauf pour certains produits qui possèdent
une viscosité élevée aux basses températures), viscosité-volatilité,
stabilité à l’hydrolyse et pouvoir lubrifiant.
●
Silicones
Ils sont stables thermiquement par définition, non volatils, mais
peu lubrifiants et relativement peu résistants au feu. Leur coût est
élevé.
●
Esters siliciques
Ils ont d’excellentes qualités hydrauliques et un bon pouvoir lubrifiant. Leur excellente stabilité thermique leur a permis d’assurer la
génération hydraulique de l’avion supersonique franco-britannique
Concorde, répondant à la spécification CM 080. Par contre, ils peuvent être considérés comme ayant une tendance à être instables en
présence d’eau (hydrolyse). Leur résistance au feu est limitée,
n’atteignant pas les valeurs escomptées.
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Fluides hydrauliques
par
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Gérard DALLEMAGNE
Ingénieur au département Matériaux
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Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes
(Classe L). Classification. Partie 1 : Famille A (graissage
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Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes
(Classe L). Classification. Partie 2 : Famille F (Palier de
broche, paliers et embrayages associés)
ISO 6743-3A 1987
Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes
(Classe L). Classification. Partie 3A : Famille D (compresseurs)
ISO 6743-3B 1988
Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes
(Classe L). Classification. Partie 3B : Famille D (compresseurs de gaz et frigorifiques)
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Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes
(Classe L). Classification. Partie 5 : Famille T (Turbines)
ISO 6743-6 1990
Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes
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Transmissions hydrauliques - Pompes, moteurs et variateurs. Définition des grandeurs et lettres utilisées comme
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Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes
(Classe L). Classification. Partie 7 : Famille M (Travail des
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Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes
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ISO 6743-9 1987
Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes
(Classe L). Classification. Partie 9 : Famille X (Graisses)
ISO 6743-10 1989
Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes
(Classe L). Classification. Partie 10 : Famille Y (Autres
applications)
ISO 6743-11 1990
Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes
(Classe L). Classification. Partie 11 : Famille P (Outils
pneumatiques)
ISO 6743-12 1989
Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes
(Classe L). Classification. Partie 12 : Famille Q (Fluides de
transfert de chaleur)
ISO 6743-13 1989
Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes
(Classe L). Classification. Partie 13 : Famille G (Glissières)
ISO 6743-14 1994
Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes
(Classe L). Classification. Partie 14 : Famille U (Traitement
thermique)
Spécifications
AIR 3520 du Service technique des programmes aéronautiques
MIL-H 5606 du Laboratoire de l’US Navy
DT D 585 (en Grande-Bretagne)
Ces 3 spécifications sont équivalentes
On peut y ajouter :
— AIR 1506
— MIL-H-8446
— MIL-H-83282
P
L
U
S
Doc. BM 6 018 - 2
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