Circuit hydraulique fermé

Un circuit hydraulique fermé est un concept de circulation en hydraulique dans lequel le fluide hydraulique circule directement entre la pompe et le consommateur, sans passer par un réservoir sans pression. La conduite de retour du moteur est reliée au côté aspiration de la pompe, ce qui crée un circuit de fluide fermé sur lui-même. Les circuits hydrauliques fermés sont principalement utilisés lorsque des caractéristiques dynamiques élevées, une conception compacte et une réversibilité en continu sont requises.

Principes de base et fonctionnement du circuit hydraulique fermé

Le circuit hydraulique fermé se distingue fondamentalement du circuit ouvert par le mode de circulation du fluide. Au lieu de refouler l’huile vers un réservoir après chaque cycle de travail, la conduite basse pression renvoie le fluide directement vers le côté aspiration de la pompe. Le système fonctionne comme un circuit fermé dans lequel l’huile hydraulique circule en continu entre la pompe et le moteur. Le sens de rotation et la vitesse de rotation de l’utilisateur peuvent être commandés uniquement par le réglage de la pompe, sans qu’il soit nécessaire d’utiliser des distributeurs.

Montée en pression et circulation du fluide

La pompe, généralement une pompe à débit variable à pistons axiaux, refoule l’huile sous haute pression vers le moteur. Le moteur convertit l’énergie hydraulique en énergie mécanique de rotation et renvoie l’huile vers la pompe par le côté basse pression. Comme aucun grand réservoir ne sert de tampon dans ce circuit, la pression du système doit être régulée activement sur les deux conduites. Les pressions de service typiques dans les circuits hydrauliques fermés se situent entre 300 et 450 bars; dans des applications spéciales, des pressions pouvant atteindre 500 bars peuvent être atteintes.

Rôle de la pompe de réalimentation

Un circuit hydraulique fermé ne peut pas fonctionner sans composants supplémentaires, car des fuites inévitables au niveau de la pompe et du moteur entraînent une perte de volume de fluide hors du circuit. La pompe de réalimentation, généralement de type à débit constant, compense ce volume différentiel. Elle refoule de l’huile neuve depuis un petit réservoir vers le côté basse pression du circuit, maintenant ainsi la pression minimale. Les pressions de réalimentation typiques se situent entre 10 et 30 bars. Cette pression de précharge empêche la cavitation du côté aspiration de la pompe principale et garantit que le circuit reste toujours entièrement rempli de fluide.

Composants d’un circuit hydraulique fermé

Outre la pompe et le moteur, le circuit hydraulique fermé nécessite plusieurs composants supplémentaires qui garantissent son fonctionnement et le protègent. Chacun de ces composants remplit une fonction spécifique qui, dans un circuit ouvert, est assurée par le réservoir ou par des concepts de vannes plus simples.

Vanne de purge

La vanne de purge évacue une partie de l’huile chauffée du côté basse pression du circuit et la conduit vers le réservoir via un refroidisseur. Comme l’huile ne circule pas à travers un réservoir dans le circuit fermé, il n’y a pas de dissipation naturelle de la chaleur. Sans vanne de purge, la température de l’huile augmenterait continuellement, ce qui modifierait la viscosité et réduirait la durée de vie des composants. La quantité d’huile neuve réinjectée remplace simultanément l’huile chaude évacuée, ce qui permet un renouvellement continu.

Limiteurs de pression

Des soupapes de limitation de pression situées de part et d’autre du circuit protègent le système contre les pics de pression inadmissibles. Des pics de pression de courte durée, susceptibles de surcharger les composants, peuvent notamment survenir lors d’inversions rapides ou de changements de charge soudains. Les soupapes s’ouvrent lorsque la pression limite réglée est atteinte et détournent l’huile du côté haute pression vers le côté basse pression. Dans de nombreuses versions, ces soupapes sont directement intégrées à la pompe ou au moteur.

Clapets anti-retour

Les clapets anti-retour situés sur la conduite de réalimentation garantissent que l’huile de réalimentation s’écoule toujours vers la conduite qui se trouve actuellement du côté basse pression. Étant donné que les côtés haute et basse pression s’inversent lors d’un changement de sens, les clapets anti-retour doivent suivre automatiquement cette commutation. Elles empêchent en même temps l’huile sous pression de refluer du circuit principal vers la conduite de réalimentation.

Circuit hydraulique fermé par rapport au circuit ouvert

La comparaison entre le circuit fermé et le circuit ouvert met en évidence les forces et les faiblesses respectives des deux concepts. Le choix du concept de circuit dépend des exigences de l’application concernée.

Le circuit ouvert offre des avantages pour les applications plus simples comportant plusieurs consommateurs, car un réservoir central assure l’alimentation en huile de tous les circuits. Le circuit hydraulique fermé est particulièrement adapté lorsqu’un seul entraînement nécessite une dynamique et une efficacité énergétique élevées.

Domaines d’application du circuit hydraulique fermé

Les circuits hydrauliques fermés se retrouvent aussi bien dans l’hydraulique mobile que dans les installations industrielles fixes. Ces applications ont en commun des exigences de densité de puissance élevée, de régulation continue de la vitesse et du couple, ainsi que la capacité à inverser rapidement le sens de rotation.

Hydraulique mobile

Dans l’hydraulique mobile, les circuits hydrauliques fermés dominent les entraînements de roulement des chargeuses sur pneus, des pelles et des chargeuses télescopiques. Les entraînements de treuils sur les grues et les navires, ainsi que les entraînements de pivotement des rotors, fonctionnent également selon ce concept de circuit. La conception compacte sans grand réservoir constitue un avantage décisif sur les véhicules où l’espace de montage et le poids sont limités. La commande de déplacement en continu via le réglage de la pompe permet des manœuvres et un freinage précis par le biais du système hydraulique, ce qui réduit l’usure des freins mécaniques.

Installations industrielles fixes

Dans les applications stationnaires, des circuits hydrauliques fermés sont utilisés sur les presses, les machines de moulage par injection et les laminoirs. Les bancs d’essai et les installations de contrôle utilisent également ce concept lorsque des temps de cycle rapides et des profils de mouvement reproductibles sont requis. Les réducteurs industriels et les entraînements de ventilateurs bénéficient d’un rendement élevé et d’une inversion du sens de rotation sans distributeurs supplémentaires. Dans les fonderies et les laminoirs, des systèmes compacts avec un volume d’huile minimal permettent des entraînements haute performance dans un espace restreint.

Commande et régulation dans un circuit hydraulique fermé

La commande d’un circuit hydraulique fermé s’effectue principalement par le réglage de la pompe principale. L’angle de pivotement de la pompe à pistons axiaux détermine le sens de refoulement et le débit volumétrique, ce qui permet de contrôler directement le sens de rotation et la vitesse de rotation du moteur. Ce couplage direct entre le réglage de la pompe et le comportement du moteur permet des temps de réponse courts et une grande précision de régulation.

Commande hydraulique

Dans le cas d’une commande purement hydraulique, le mécanisme de réglage de la pompe est actionné par des pressions de commande. Des vannes DA (vannes de pression et de débit) régulent le réglage en fonction de la pression du système et du comportement de conduite souhaité. Cette solution est souvent utilisée dans les entraînements simples, où une commande électronique n’est pas nécessaire.

Régulation électrohydraulique

Les circuits hydrauliques fermés modernes recourent de plus en plus à des régulations électrohydrauliques. Des vannes proportionnelles commandent le mécanisme de réglage de la pompe sur la base de signaux électriques provenant d’une commande de niveau supérieur. Cela permet l’intégration dans des systèmes automatisés qui atteignent et surveillent avec précision les points de fonctionnement. Des capteurs mesurent la pression, la température et la vitesse de rotation en temps réel et transmettent les données au système de commande pour une régulation adaptative. La régulation électrohydraulique améliore l’efficacité, car le point de fonctionnement de la pompe peut être maintenu en permanence dans la plage optimale.

Entretien et maintenance

La maintenance d’un circuit hydraulique fermé nécessite une attention particulière, car l’huile circule en continu dans le circuit et les impuretés ne peuvent pas se déposer dans le réservoir comme dans un circuit ouvert. Les particules circulent dans le système jusqu’à ce qu’elles soient captées par le filtre ou qu’elles causent des dommages.

Qualité de l’huile et filtration

La pureté de l’huile est plus critique dans un circuit hydraulique fermé que dans un système ouvert. La conduite de réalimentation est le point central de la filtration, car c’est là que toute l’huile fraîche réalimentée passe par le filtre. Des éléments filtrants de haute qualité avec une finesse appropriée sont indispensables. Des analyses régulières de l’huile fournissent des informations sur les particules d’usure, la teneur en eau et les variations de viscosité.

Gestion de la température

Comme le circuit hydraulique fermé n’offre pas de refroidissement naturel via un grand réservoir, la température de l’huile doit être surveillée et régulée activement. La vanne de purge évacue un débit défini d’huile chauffée du circuit et l’achemine vers le réservoir de stockage via un refroidisseur d’huile. Le dimensionnement du refroidisseur doit être adapté à la puissance dissipée à évacuer. En cas de refroidissement insuffisant, la température de l’huile augmente, ce qui réduit la viscosité, diminue la capacité de maintien du film lubrifiant et entraîne finalement des dommages aux composants.

Surveillance des fuites

Le débit de réalimentation est un indicateur direct de l’état du circuit. Si le besoin de réinjection dépasse la valeur habituelle d’environ 5 à 10 % du débit volumique principal, cela indique une augmentation des fuites internes, qui peuvent être dues à l’usure des pistons, des disques de commande ou des joints. Une surveillance continue du débit de réalimentation permet une maintenance conditionnelle et évite les pannes inattendues.

Avantages et inconvénients du circuit hydraulique fermé

Le choix d’un circuit hydraulique fermé comporte des avantages et des inconvénients spécifiques que les concepteurs doivent prendre en compte lors de la conception.

Avantages

• Rendement énergétique élevé: la pompe ne fournit que le débit réellement nécessaire. À charge partielle et à l’arrêt, la consommation d’énergie diminue considérablement par rapport aux systèmes ouverts équipés de pompes à débit constant.
• Conception compacte: l’absence de grand réservoir réduit considérablement l’encombrement et le poids de l’installation.
• Inversion rapide: l’inversion du sens de rotation s’effectue uniquement via le réglage de la pompe, sans avoir à commuter de distributeurs. Cela réduit les temps de réponse.
• Régulation précise: la vitesse de rotation et le couple peuvent être réglés en continu et avec précision, ce qui est indispensable pour les tâches de déplacement et de positionnement exigeantes.
• Récupération d’énergie de freinage: lorsque les charges descendent, le moteur peut fonctionner comme une pompe et réinjecter l’énergie de freinage dans le circuit.

Inconvénients

• Complexité accrue du système: les composants supplémentaires nécessaires, tels que la pompe de réalimentation, la vanne de purge et les clapets anti-retour, augmentent les coûts de conception et de mise en service.
• Capacité limitée à alimenter plusieurs consommateurs: un circuit hydraulique fermé alimente généralement un seul consommateur. Pour plusieurs consommateurs, des circuits séparés ou des montages supplémentaires complexes sont nécessaires.
• Exigences accrues en matière de pureté de l’huile: les impuretés circulent dans le système et peuvent causer des dommages si elles ne sont pas filtrées à temps.
• Recherche de pannes plus complexe: l’étroite interconnexion des composants et l’absence de contrôle visuel du réservoir rendent le diagnostic plus complexe que dans les systèmes ouverts.

Normes et standards

Les exigences techniques de sécurité relatives aux installations hydrauliques à circuit fermé sont régies par la norme DIN ISO 4413. Cette norme définit des spécifications en matière de limitation de pression, de gestion des fuites, de marquage et de mise en service. S’y ajoutent les exigences générales relatives aux fluides hydrauliques en matière de viscosité, de stabilité thermique et de classe de pureté. Des fabricants tels que Bosch Rexroth, Danfoss et Liebherr proposent des consignes de conception détaillées pour les circuits hydrauliques fermés, qui vont au-delà des exigences normatives et contiennent des règles de dimensionnement éprouvées dans la pratique.