Filtre hydraulique

Le filtre hydraulique est un composant des systèmes hydrauliques qui élimine les impuretés, telles que les particules solides, les particules d’usure, l’eau et les sous-produits d’oxydation, présentes dans le fluide hydraulique. Il protège ainsi les pompes, les vannes et les vérins hydrauliques contre l’usure et les pannes. Jusqu’à 80 % de toutes les pannes hydrauliques peuvent être attribuées à une huile contaminée, ce qui souligne l’importance de la filtration.

Notions de base et fonctionnement des filtres hydrauliques

Les filtres hydrauliques fonctionnent selon le principe de la séparation mécanique. Le fluide hydraulique s’écoule à travers le média filtrant, qui retient les particules dont la taille dépasse une certaine dimension. Les types de construction varient considérablement en fonction de la position du filtre dans le circuit, du type de média filtrant et du degré de pureté requis. La fonction de base de tout filtre hydraulique reste toutefois la même: améliorer la pureté de l’huile de manière à ce que les composants sensibles du système puissent fonctionner de manière fiable, avec une usure minimale.

Les particules sont éliminées par différents mécanismes. Les grosses particules sont retenues à la surface du matériau filtrant par tamisage. Les particules plus petites se fixent aux fibres du matériau filtrant par adsorption ou sous l’effet des forces d’inertie. La combinaison de ces mécanismes détermine l’efficacité de séparation du filtre et sa capacité à retenir les impuretés.

Types de filtres et leur emplacement dans le circuit hydraulique

Le choix du filtre hydraulique dépend en grande partie de sa position dans le circuit. Chaque position impose des exigences différentes en matière de résistance à la pression, de finesse de filtration et de débit.

Filtres d’aspiration

Les filtres d’aspiration sont placés dans la conduite d’aspiration, entre le réservoir et la pompe. Leur fonction principale est de protéger la pompe contre les grosses impuretés qui pourraient être aspirées depuis le réservoir. Comme ils fonctionnent en conditions de vide, la perte de charge doit y être minimale afin d’éviter l’apparition d’une différence de pression dans la pompe. La finesse de filtration typique varie entre 25 et 100 µm. Les filtres d’aspiration sont souvent conçus comme de simples filtres à mailles ou à bande, et les modèles proposés par de nombreux fabricants peuvent être nettoyés.

Filtres de refoulement

Les filtres de refoulement sont installés du côté refoulement de la pompe et protègent les composants les plus sensibles du système, tels que les servovalves et les vannes proportionnelles. Ceux-ci fonctionnent à la pression maximale du système et doivent donc être dotés d’un boîtier particulièrement robuste, fabriqué en acier ou en fonte. La finesse de filtration varie entre 3 et 25 µm, et les filtres haute pression peuvent fonctionner à une pression allant jusqu’à 420 bars. Les filtres sous pression sont généralement conçus sous forme de filtres tubulaires, de filtres à bride ou de filtres interchangeables et sont équipés de vannes de dérivation intégrées.

Filtres de retour

Les filtres de retour sont placés dans la conduite de retour en amont du réservoir et purifient l’huile avant qu’elle ne retourne dans le réservoir. Ils constituent la dernière barrière contre les impuretés et empêchent les particules d’usure et les impuretés du circuit de pénétrer dans le réservoir. Les valeurs nominales typiques des filtres varient entre 3 et 10 µm. Les filtres de retour fonctionnent à basse pression, jusqu’à environ 20–63 bars, et sont souvent disponibles en versions à monter dans le réservoir ou dans un système double, ce qui permet de remplacer les filtres pendant leur utilisation.

Filtres de dérivation

Les filtres de dérivation, également appelés filtres à flux latéral, sont installés en parallèle du circuit principal. Ceux-ci détournent une petite partie du débit – environ 5 à 10 % du débit total – et la font passer à travers une phase de filtration particulièrement fine. Grâce à des finesses de filtration comprises entre 1 et 5 µm et à une séparation supplémentaire de l’eau, ils assurent une purification continue de l’huile, qui dépasse la capacité du filtre principal. Les filtres de dérivation sont indispensables, notamment dans les systèmes imposant des exigences élevées en matière de pureté de l’huile, tels que les systèmes servo-hydrauliques.

Filtres de purge

Souvent négligés, mais tout aussi importants: les filtres de purge empêchent l’air atmosphérique, qui contient de la poussière et de l’humidité, de pénétrer dans l’huile hydraulique lors de la dilatation et de la contraction du réservoir. Ils fonctionnent de manière passive et filtrent l’air entrant avec une précision généralement comprise entre 1 et 10 µm.

Matériaux filtrants: filtres de surface et filtres en profondeur

Le matériau filtrant est au cœur de tout filtre hydraulique. Il existe en principe deux principes de fonctionnement, qui diffèrent considérablement en termes de conception, de performances et de possibilité de réutilisation.

Filtres de surface

Les filtres de surface retiennent les particules sur une surface spécifique, semblable à un tamis. Ils sont généralement constitués d’un treillis en acier inoxydable ou de matériaux non tissés à base de fibres métalliques présentant des pores de forme géométrique définie. Leur avantage réside dans la limite de séparation bien définie et la possibilité de nettoyage. Ils peuvent être nettoyés par lavage à contre-courant et réutilisés plusieurs fois. Leur capacité à retenir les impuretés est toutefois limitée, car les particules s’accumulent à la surface sous forme d’un dépôt filtrant, ce qui restreint de plus en plus le débit. La finesse de filtration typique varie entre 10 et 250 µm.

Filtres en profondeur

Les filtres en profondeur sont constitués d’un réseau tridimensionnel de fibres, généralement en fibre de verre, en cellulose ou en polyester. Ceux-ci retiennent les particules dans le matériau filtrant lui-même, et pas seulement à sa surface. Ils ont donc une capacité de rétention des impuretés bien supérieure et la différence de pression augmente plus progressivement. Les filtres en profondeur sont des articles jetables et doivent être remplacés une fois saturés. Grâce à leur finesse de filtration comprise entre 2 et 25 µm, ils couvrent la plage critique pour la protection des composants hydrauliques sensibles. Les médias filtrants en fibre de verre atteignent des valeurs bêta supérieures à 200 selon la norme ISO 16889, ce qui correspond à une efficacité de séparation supérieure à 99, 5 %.

Granulométrie du filtre et efficacité de séparation

La précision de filtration en soi ne dit pas grand-chose sur les performances réelles du filtre hydraulique. Le facteur le plus important est l’efficacité de séparation, c’est-à-dire le pourcentage de particules d’une taille donnée retenues par le média filtrant. La norme ISO 16889 définit à cet effet le coefficient bêta: une valeur bêta de 200 pour des particules de 10 µm signifie que sur 200 particules de cette taille, une seule traverse le filtre. Plus la valeur bêta est élevée, plus la séparation est fiable.

Il convient de distinguer la précision nominale de la précision absolue du filtre. La précision nominale correspond à une valeur indicative, tandis que la précision absolue détermine la taille des particules pour laquelle le média filtrant atteint la valeur bêta définie. Lors de la conception d’un filtre hydraulique, la précision absolue du filtre selon la norme ISO 16889 est toujours le facteur déterminant.

Classes de contamination selon la norme ISO 4406

La pureté de l’huile hydraulique est classée selon la norme ISO 4406. Cette norme spécifie le nombre de particules par millilitre dans trois classes de taille: supérieures à 4 µm, supérieures à 6 µm et supérieures à 14 µm. Une huile de classe 18/16/13, par exemple, contient un nombre de particules correspondant aux niveaux de ces classes. Plus les chiffres sont bas, plus l’huile est pure.

La classe de pureté requise dépend de la sensibilité des composants du système. Les servovalves et les vannes proportionnelles exigent des classes telles que 16/14/11 ou supérieures, tandis que les systèmes hydrauliques standard peuvent fonctionner avec la classe 18/16/13. Pour les entraînements de très haute précision, des classes de pureté de 15/13/10 ou inférieures peuvent être nécessaires. Le filtre hydraulique doit être conçu de manière à maintenir de manière fiable la classe visée dans les conditions de fonctionnement.

La vanne de dérivation et la surveillance de la pression différentielle

La vanne de dérivation intégrée au filtre hydraulique s’ouvre lorsque la différence de pression au niveau de l’élément filtrant dépasse un seuil prédéfini. Cela se produit lorsque le média filtrant est saturé de particules et que la résistance à l’écoulement devient trop importante. La vanne dérive l’huile hors du filtre, ce qui empêche la pression dans le système d’atteindre un niveau inacceptable ou la survenue d’une cavitation dans la pompe. Inconvénient: l’huile s’écoule sans être filtrée, ce qui fait de l’ouverture de la vanne de dérivation un signal clair indiquant que le filtre doit être remplacé.

La surveillance de la différence de pression est donc un outil essentiel pour contrôler l’état technique du système. Des pressostats manuels ou électroniques indiquent le degré d’encrassement de la cartouche filtrante. Les indicateurs visuels d’encrassement, dotés d’éléments qui changent de couleur ou font saillie, fournissent au personnel de maintenance des informations visuelles rapides. Les capteurs électroniques peuvent transmettre la valeur de la différence de pression au système de commande, ce qui permet une maintenance prédictive.

Pannes dues à une filtration insuffisante

Une filtration insuffisante provoque des défaillances cumulatives, qui s’aggravent au fil des mois et conduisent ensuite soudainement à une panne. La contamination par des particules solides obstrue les orifices de régulation de précision des vannes proportionnelles, provoque une usure accrue des pompes et des vérins et peut entraîner le grippage des vannes. La présence d’eau dans l’huile accélère la dégradation des additifs, favorise la corrosion et modifie la viscosité. Les sous-produits de l’oxydation forment des résines et des dépôts qui obstruent les canaux de refroidissement et les orifices de régulation.

Les conséquences vont d’une consommation d’énergie accrue et de mouvements incontrôlés à un arrêt complet du système. Un filtre hydraulique bien choisi réduit considérablement le nombre de pannes et diminue les coûts sur toute la durée de vie du système.

Entretien et maintenance

Un entretien régulier des filtres hydrauliques est essentiel pour la fiabilité du système. Les cartouches filtrantes doivent être remplacées à temps, avant que la vanne de dérivation ne s’ouvre. La fréquence de remplacement dépend des spécifications du fabricant, du nombre d’heures de fonctionnement et du degré réel d’encrassement. La surveillance de la différence de pression aide à déterminer le moment optimal pour le remplacement.

Outre le remplacement des filtres, l’analyse périodique de l’huile fait également partie d’un bon entretien. Cette analyse fournit des informations sur la teneur en particules solides, la teneur en eau, la viscosité et l’état des additifs. Il convient également de prêter attention aux boîtiers de filtres: les boutons de purge de condensat sur les filtres sous pression doivent être actionnés périodiquement et les filtres de purge d’air sur le réservoir doivent être contrôlés à chaque vidange d’huile.

Normes relatives aux filtres hydrauliques

Il existe différentes normes régissant les essais, la classification et l’utilisation des filtres hydrauliques:

• ISO 16889: définit l’essai à cycles multiples utilisé pour déterminer la capacité de filtration et le coefficient bêta. Il s’agit de la norme de référence pour l’évaluation des éléments filtrants.
• DIN ISO 11170: définit les procédures d’essai pour les éléments filtrants et complète la norme ISO 16889 par des exigences relatives à la réalisation des essais.
• ISO 4406: Classe le degré de pureté des fluides hydrauliques et sert de base à la définition des valeurs cibles lors de la conception des filtres.
• DIN ISO 4413: définit les exigences de sécurité pour les systèmes hydrauliques, y compris les spécifications relatives à la filtration et à la pureté de l’huile.