Pompe à piston axial

Une pompe à pistons axiaux est une pompe volumétrique utilisée en hydraulique, dans laquelle plusieurs pistons sont disposés parallèlement à l’arbre d’entraînement et effectuent un mouvement axial par rotation afin d’aspirer et de refouler le fluide hydraulique. Elle se caractérise par des pressions de service élevées pouvant atteindre 500 bars, une conception compacte et un réglage continu du débit, et fait partie des types de pompes les plus couramment utilisés dans les systèmes hydrauliques industriels et mobiles.

Principe de base et fonctionnement de la pompe à pistons axiaux

Les pompes à pistons axiaux transforment l’énergie mécanique de rotation en énergie hydraulique de pression. Le principe de fonctionnement central repose sur le déplacement volumétrique: les pistons se déplacent axialement d’avant en arrière dans les alésages des cylindres, modifiant ainsi le volume dans les chambres des pistons et générant alternativement une dépression pour l’aspiration et une surpression pour le refoulement du fluide hydraulique.

Structure d’une pompe à pistons axiaux

Le bloc-cylindres, également appelé bloc à pistons rotatifs, en constitue le cœur. Il comporte généralement sept à onze alésages de pistons, disposés parallèlement à l’axe de rotation. Les pistons eux-mêmes sont reliés, par l’intermédiaire de bielles ou d’articulations à rotule, à un disque incliné ou à une bride de commande. Un arbre d’entraînement fait tourner le bloc-cylindres, et l’angle d’inclinaison du disque oblique impose aux pistons un mouvement de va-et-vient. À l’extrémité du bloc-cylindres, un disque de commande muni de canaux en forme de rein garantit que chaque piston passe exactement par une phase d’aspiration et une phase de refoulement au cours d’un tour.

Production de puissance et débit volumique

La course de chaque piston résulte de l’angle d’inclinaison du disque incliné par rapport à l’axe de rotation. Plus cet angle est grand, plus la course du piston est longue et plus le volume refoulé par tour est important. Le débit de la pompe dépend donc directement de deux paramètres: la vitesse de rotation de l’arbre d’entraînement et l’angle d’inclinaison du disque oblique. Avec un angle d’inclinaison de zéro degré, les pistons ne bougent pas et la pompe ne produit aucun débit. À mesure que l’angle augmente, le débit augmente de manière continue. Les pompes à pistons axiaux modernes atteignent des débits allant jusqu’à environ 800 litres par minute.

Types de pompes à pistons axiaux

Les pompes à pistons axiaux peuvent être classées selon différents critères. La distinction la plus importante concerne le type de génération de débit: pompe à disque oblique (disque pivotant) et pompe à axe oblique. On distingue en outre les pompes à volume de refoulement constant et celles à volume de refoulement variable.

Pompe à disque oblique avec disque pivotant

Dans ce type de construction, le bloc-cylindres et l’arbre d’entraînement tournent ensemble. Le disque incliné est fixe dans le carter ou peut s’incliner autour d’un point de pivotement. Les pistons glissent avec leurs points d’appui sur le disque incliné et effectuent un mouvement de course grâce à l’angle du disque. L’angle d’inclinaison maximal est d’environ 18 degrés sur la plupart des modèles. Les pompes à disques obliques réglables permettent un ajustement en continu du débit volumétrique pendant le fonctionnement. Un entraînement mécanique direct est possible avec ce type de construction, ce qui permet de monter des pompes en tandem sur un arbre d’entraînement commun.

Pompe à axe oblique

Dans la pompe à axe incliné, l’axe du bloc-cylindres est disposé en biais par rapport à l’arbre d’entraînement. Une bride d’entraînement transmet le mouvement de rotation de l’arbre d’entraînement au bloc-cylindres. Les pistons sont reliés au disque coulissant fixe par des articulations à rotule. La course du piston résulte de l’inclinaison de l’axe. Le réglage du débit s’effectue en modifiant l’angle d’inclinaison entre l’axe du bloc-cylindres et l’arbre d’entraînement. Les pompes à axe oblique se caractérisent par une bonne capacité d’auto-amorçage et une meilleure résistance à l’encrassement de l’huile hydraulique.

Pompes à débit constant et pompes à débit variable

Les pompes à débit constant ont un angle d’inclinaison fixe et fournissent un débit volumétrique constant à un régime donné. Les pompes à débit variable adaptent le volume de refoulement en continu aux besoins. Dans les systèmes hydrauliques industriels, on utilise principalement des pompes à débit variable, car elles permettent d’économiser de l’énergie, de maintenir la pression en fonction des besoins et de réduire la production de chaleur.

Pompe à pistons axiaux en circuit ouvert et fermé

Le choix du type de construction dépend en grande partie du circuit dans lequel la pompe fonctionne.

Circuit ouvert

En circuit ouvert, la pompe aspire le fluide hydraulique d’un réservoir et le refoule vers l’utilisateur. Le retour s’écoule vers le réservoir. Les pompes à axes obliques sont particulièrement adaptées aux circuits ouverts, car elles disposent d’une bonne capacité d’auto-amorçage et compensent bien les variations de charge. On trouve des circuits ouverts dans les presses, les presses à injection et les machines-outils.

Circuit fermé

Dans le circuit fermé, le fluide hydraulique circule directement entre la pompe et le moteur hydraulique, sans passer par un réservoir. Une pompe d’alimentation compense les fuites. Les pompes à disques obliques sont souvent utilisées dans ce cas, par exemple dans les transmissions hydrostatiques des engins de chantier, des chargeuses sur pneus et des véhicules agricoles. Le circuit fermé permet d’obtenir une installation compacte et une inversion rapide du sens de marche.

Caractéristiques techniques de la pompe à pistons axiaux

Les pompes à pistons axiaux fonctionnent dans une large plage de fonctionnement. Les caractéristiques suivantes donnent une indication pour la conception:

Les valeurs réelles varient en fonction du fabricant, de la taille et des conditions de fonctionnement. À des pressions supérieures à 400 bars, les pompes à pistons radiaux s’imposent de plus en plus comme une alternative, car ce type de construction supporte des pressions plus élevées avec moins de pulsations.

Pompe à pistons axiaux versus pompe à pistons radiaux

Ces deux types de pompes font partie des pompes à pistons, mais se distinguent par leur conception et leurs domaines d’application. Les concepteurs optent pour la pompe à pistons axiaux lorsque la compacité, les vitesses de rotation élevées et le réglage en continu sont prioritaires. Les pompes à pistons radiaux sont utilisées pour les pressions extrêmes, le fonctionnement en continu et les exigences élevées en matière de fonctionnement silencieux.

Régulation et commande des pompes à pistons axiaux

Le réglage du débit s’effectue à l’aide de différents concepts de régulation qui ont fait leurs preuves dans la pratique.

Régulation de la pression

La régulation de pression maintient la pression du système à une valeur de consigne définie, indépendamment du débit volumétrique requis par les consommateurs. Dès que la pression atteint la valeur de consigne, le disque pivote en sens inverse et réduit le débit volumétrique au niveau nécessaire pour maintenir la pression. L’énergie excédentaire n’est pas dissipée sous forme de chaleur via une soupape de limitation de pression, ce qui améliore considérablement le bilan énergétique.

Régulation du débit

Dans ce cas, la pompe régule le débit à une valeur constante, indépendamment des variations de pression dans le système. L’angle d’ouverture du disque oblique est alors ajusté par un régulateur. Cette régulation convient aux applications avec un débit constant au niveau des consommateurs.

Régulation Load-Sensing

La régulation Load-Sensing détecte la pression maximale requise par les consommateurs raccordés et règle la pompe exactement à cette pression, plus une faible différence de pression de pilotage. Ainsi, la pompe ne fournit que le débit dont les consommateurs ont réellement besoin et fonctionne à la pression système minimale nécessaire. Cela réduit la consommation d’énergie et l’échauffement de l’huile hydraulique.

Régulation électronique

Les pompes à pistons axiaux modernes utilisent de plus en plus des régulateurs électrohydrauliques qui commandent des vannes proportionnelles ou des servovannes. Un régulateur électronique traite les signaux provenant des capteurs de pression et de vitesse de rotation et transmet des signaux de commande aux vannes de régulation. Cela permet d’obtenir des boucles de régulation précises et dynamiques, ainsi que l’intégration dans des systèmes de commande de machines de niveau supérieur. Les signaux de commande typiques se situent dans la plage de 4 à 20 mA.

Normes et exigences de sécurité

La norme EN ISO 4413: 2010 régit les exigences de sécurité applicables aux installations hydrauliques et à leurs composants, y compris les pompes à pistons axiaux. Elle définit les dangers tels que la surpression, les fuites et le bruit, et énonce les principes permettant de les éviter. La norme exige notamment que les charges axiales et radiales sur l’arbre de la pompe restent dans les limites spécifiées par le fabricant, que les vibrations de torsion soient réduites par des accouplements amortisseurs et que les températures de surface soient limitées en toute sécurité conformément à la norme ISO 13732-1. En complément, la norme ISO 4406 réglemente la classe de propreté de l’huile hydraulique, qui est déterminante pour le fonctionnement fiable des pompes à pistons axiaux.

Entretien et maintenance

Les pompes à pistons axiaux fonctionnent à des pressions et des vitesses de rotation élevées, ce qui nécessite un entretien régulier. Environ 70 % des pannes dans les systèmes hydrauliques sont dues à une huile hydraulique encrassée. Une filtration efficace et des vidanges d’huile régulières conformément aux spécifications du fabricant font partie des mesures préventives les plus importantes.

Signes d’usure typiques

• Surfaces de glissement des pistons et alésages des cylindres: rayures et piqûres dues à l’usure par particules ou à la cavitation
• Surfaces de glissement du disque oblique: usure due au frottement continu de la base du piston, reconnaissable à un débit de fuite accru
• Joints et bagues d’étanchéité d’arbre: fragilisation et fissuration dues aux contraintes thermiques et mécaniques
• Roulements: jeu accru, bruits de fonctionnement et élévation de la température comme indicateurs de dommages aux roulements

Mesures visant à prolonger la durée de vie

Des contrôles visuels réguliers visant à détecter les fuites, les bruits inhabituels et les vibrations doivent être effectués à chaque changement d’équipe. Les analyses de fluide fournissent des informations sur la teneur en particules, la teneur en eau et le vieillissement chimique de l’huile. Les joints doivent être inspectés tous les trois à six mois et remplacés si nécessaire. Le respect des intervalles de vidange d’huile et des cycles de remplacement des filtres prescrits par le fabricant garantit la propreté de l’huile hydraulique et donc le bon fonctionnement de la pompe. HK Hydraulik recommande d’utiliser des pièces de rechange d’origine lors de la réparation et de l’entretien des pompes hydrauliques afin de garantir la précision d’ajustage et la résistance des pièces d’usure.

Domaines d’application de la pompe à pistons axiaux

Les pompes à pistons axiaux sont utilisées dans presque tous les domaines de l’hydraulique industrielle et mobile. Dans les engins de chantier mobiles tels que les pelles, les chargeuses sur pneus, les grues et les tracteurs, elles constituent la source d’énergie centrale pour les entraînements de translation et les fonctions de travail. Dans les installations industrielles fixes, elles fournissent la puissance hydraulique nécessaire aux presses, aux presses à injection et aux machines-outils. Elles sont également utilisées dans l’hydraulique marine, les éoliennes et les bancs d’essai. La combinaison d’une pression élevée, d’une conception compacte et d’un réglage en continu fait de la pompe à pistons axiaux le choix idéal lorsqu’il s’agit d’entraînements hydrauliques à haute densité de puissance et efficaces.