Introduction : défi de la fiabilité de la production et importance de la filtration hydraulique

Les systèmes hydrauliques sont un élément essentiel de nombreux processus industriels, y compris la production, le transport et le traitement des matériaux. Cependant, même les meilleurs systèmes peuvent perdre en efficacité en raison de l'accumulation de contaminants dans le fluide de travail. La contamination entraîne l'usure des composants, une baisse d'efficacité et une augmentation des coûts de réparation. Ainsi, pour assurer la durabilité et la fiabilité des systèmes hydrauliques, ils doivent être régulièrement nettoyés et filtrés.

Cet article est consacré à une analyse détaillée de la filtration hydraulique, incluant les normes de propreté ISO, le choix des éléments filtrants et des recommandations pratiques pour le contrôle de la contamination. Le contenu est destiné aux ingénieurs techniques, aux services d'exploitation et aux responsables de production recherchant des solutions fiables pour garantir le fonctionnement ininterrompu des systèmes hydrauliques.

Principes fondamentaux de la filtration hydraulique

La filtration hydraulique repose sur le principe physique de séparation des contaminants du fluide de travail. Ce processus est réalisé à l'aide d'un élément filtrant qui empêche le passage des particules de contamination supérieures à la taille spécifiée. Les contaminants peuvent apparaître en raison de l'usure des composants, de la corrosion ou de l'introduction de particules étrangères dans le système.

Il est important de comprendre que le niveau de contamination influence l'efficacité des systèmes hydrauliques. Par exemple, une augmentation de la concentration de particules dans le fluide de travail entraîne une hausse des pertes de puissance, une diminution de l'efficacité des actionneurs hydrauliques et une augmentation des coûts de réparation. Ainsi, le contrôle de la propreté du fluide de travail est un élément critique pour maintenir la fiabilité des systèmes.

Spécifications techniques et normes

La filtration hydraulique est réglementée par une série d'normes internationales qui assurent des critères uniques d'évaluation de la pureté et des exigences concernant les éléments filtrants. Les principales normes incluent :

• ISO 4406 : Définit la classification de la pureté du fluide de travail en utilisant trois chiffres indiquant le nombre de particules de différentes tailles par millimètre cube de fluide.
• ISO 16883: Définit les normes de mesure de la pureté du fluide de travail par analyse radiographique.
• ISO 3724: Définit les méthodes de mesure de la pression et de la température pour le contrôle du fonctionnement des systèmes de filtration.
• ISO 10811 : Précise les exigences pour les éléments filtrants des systèmes hydrauliques.
• DSTU 3435:2016: Définit les exigences nationales concernant la pureté des fluides de travail dans les systèmes industriels en Ukraine.

Outre les normes, il est important de prendre également en compte les exigences concernant l'efficacité des éléments filtrants. L'efficacité du filtre peut être déterminée par la formule :

de C_out – concentration des polluants après filtration, et C_in – concentration des polluants avant filtration.

Choix et calcul des éléments filtrants

Le choix d'un élément filtrant nécessite la prise en compte de plusieurs critères, notamment la puissance du système, la température du fluide de travail, la pression, les exigences en matière de pureté et le coût. En dessous, voici les solutions que l'on peut utiliser pour le choix d'un élément filtrant :

Le choix de l'élément filtrant peut également être déterminé à l'aide d'une matrice de sélection, qui prend en compte différents paramètres du système. Par exemple, la matrice peut inclure :

1. Pression dans le système
2. Température du fluide de travail
3. Classe de pureté
4. Efficacité du filtre
5. Matériau du composant filtrant

Chaque un de ces paramètres a un impact déterminé sur le choix de l'élément. Par exemple, si le système fonctionne à une pression élevée, l'élément doit être fabriqué en un matériau capable de supporter cette pression sans usure.

Meilleures pratiques d'installation et de mise en marche

Un montage et une mise en service correctes du filtre sont un élément clé pour assurer son efficacité. Les recommandations principales sont présentées ci-dessous :

1. Installation d'un élément filtrant dans un endroit où le fluide de travail a une température stable.
2. Vérification de l'étanchéité de toutes les connexions avant le démarrage.
3. Utilisation d'un outil spécial pour le nettoyage des surfaces avant l'installation de l'élément.
4. Vérification de la pression dans le système avant le démarrage, afin d'éviter la surcharge de l'élément.
5. Mise en marche du système en mode progressif afin d'éviter une augmentation brutale de la pression.

Après l'installation de l'élément, il faut effectuer un test de l'efficacité de filtration. Le test peut inclure la mesure de la pression avant et après le filtre, ainsi que l'analyse de la concentration des contaminants dans le fluide de travail.

Modi de percussion et analyse des causes

Les éléments filtrants peuvent être éjectés pour diverses raisons, notamment l'usure, les obstructions, la modification des propriétés du fluide de travail et une utilisation incorrecte. Voici les principaux modes d'éjection :

Pour l'analyse des causes de l'éjection des éléments, des méthodes telles que l'analyse des signes visuels, la mesure de la pression et de la température, ainsi que l'analyse du fluide de travail sont utilisées. Ces méthodes permettent de déterminer la cause principale de l'éjection et de proposer des recommandations appropriées.

Maintenance prédictive et surveillance de l'état

Le maintenance prédictive et le monitoring de l'état des systèmes hydrauliques permettent de réduire les coûts de maintenance, d'augmenter la durée de vie du système et de garantir une fonctionnalité stable. Les principales méthodes de monitoring incluent :

• Surveillance de la pression : Mesure de la pression avant et après le filtre pour déterminer l'efficacité de filtration.
• Surveillance de la température : Mesure de la température du fluide de travail pour déterminer la stabilité du système.
• Surveillance de la teneur en contaminants : Utilisation d'analyseurs pour mesurer la concentration de contaminants dans le fluide de travail.
• Surveillance de l'usure : Utilisation de capteurs pour mesurer l'usure des composants du système.

Ces méthodes permettent de détecter à temps les problèmes possibles et de lancer les actions nécessaires pour éviter la défaillance du système.

Tableau comparatif des éléments filtrants

Cette table montre différents types d'éléments filtrants, permettant de choisir l'option optimale en fonction des exigences du système. Tous les éléments répondent aux normes ISO, DSTU et possèdent des certificats CE, UkrSEPRO.

Conclusion

La filtration hydraulique est un élément critique pour assurer la fiabilité et l'efficacité des systèmes hydrauliques. Le choix d'un élément filtrant approprié, l'exécution d'une installation et d'un démarrage corrects, ainsi que l'utilisation de méthodes prédictives de surveillance peuvent considérablement augmenter la durée de vie du système et réduire les coûts de réparation.

UNITEC-D GmbH propose un large choix d'éléments filtrants répondant aux exigences des normes ISO, DSTU, ainsi qu'aux certificats CE et UkrSEPRO. Pour obtenir plus d'informations détaillées sur les éléments filtrants correspondant à vos exigences, consultez notre catalogue en ligne :

https://www.unitecd.com/e-catalog/

Liste des références

1. ISO 4406:1999 – Pureté du liquide de travail
2. ISO 16883:2012 – Méthodes de mesure de la pureté du fluide de travail
3. DSTU 3435:2016 – Exigences relatives à la pureté des fluides de travail dans les systèmes industriels en Ukraine
4. UNITEC-D GmbH – Documentation technique
5. IEEE 1180 – Normes pour la mesure et l'analyse du fluide de travail

1. Introduction

La fiabilité du fonctionnement des systèmes hydrauliques dans la production industrielle dépend directement de la pureté du fluide de travail. La recherche montre que jusqu'à 70 à 80 % des pannes de composants hydrauliques tels que les pompes, les vannes, les moteurs et les cylindres hydrauliques sont causées par une contamination des fluides. Cela entraîne une usure prématurée, des arrêts imprévus des équipements, des coûts de réparation et de remplacement de composants importants et une réduction de la productivité globale de la production. Un système de filtration correctement conçu et entretenu est un élément essentiel pour garantir la longévité et l’efficacité des équipements hydrauliques. Cet article fournit un aperçu technique approfondi des principes de filtration hydraulique, des normes de propreté et des méthodes de sélection et de mise en œuvre de solutions efficaces de contrôle de la pollution.

2. Principes fondamentaux

2.1. Types et sources de pollution

La contamination des fluides hydrauliques se divise en plusieurs types principaux :

• Particules solides : Particules d'usure métalliques (acier, bronze, aluminium), poussières, fibres, produits d'oxydation liquides. Les tailles de ces particules varient du micromètre à plusieurs centaines de micromètres. Même les particules d'une taille de 5 à 15 microns, invisibles à l'œil nu, peuvent provoquer une usure abrasive importante sur les surfaces de précision des composants hydrauliques.
• Eau : peut pénétrer dans le système depuis l'air via les filtres respiratoires, lors des changements de fluide, via des joints qui fuient. L'eau accélère l'oxydation du liquide, provoque de la corrosion, réduit le pouvoir lubrifiant, favorise la cavitation et peut conduire à la destruction des additifs.
• Air : L'air dissous ou libre peut provoquer une cavitation, augmenter la compressibilité du fluide, affectant la précision du contrôle et accélérer l'oxydation.

Sources de pollution :

• Intégré : Résidus de fabrication de composants, tartre, poussière après l'installation d'un nouveau système ou une réparation.
• Pénétration : Poussière de l'environnement due à des fuites des joints des cylindres, des tiges, des filtres respiratoires des réservoirs, de la saleté lors du remplacement du fluide.
• Généré par : Produits d'usure des pièces mobiles (pompes, vannes, cylindres), produits d'oxydation du fluide hydraulique sous l'influence de la température.

2.2. Mécanismes de filtrage

Les éléments filtrants fonctionnent selon différents principes :

• Filtration de surface : Les particules sont retenues à la surface du matériau filtrant. Ce sont généralement de minces filets ou membranes. Efficace pour les grosses particules.
• Filtration en profondeur : Les particules sont piégées dans la couche de matériau poreux. Ce mécanisme est utilisé dans la plupart des filtres hydrauliques, où le matériau est constitué de nombreuses fibres disposées de manière aléatoire formant un labyrinthe pour le liquide.
• Absorption : Certains filtres peuvent absorber l'eau ou d'autres polluants polaires grâce à des matériaux spéciaux.

2.3. Coefficient bêta (βx)

L'efficacité du filtrage est quantifiée par le coefficient bêta (βx), qui est déterminé par la norme ISO 16889 (test multipasse). Ce rapport montre combien de fois plus de particules d'une certaine taille (x micromètres) sont retenues par le filtre qu'elles ne le traversent.

Formule du coefficient bêta :

βx = (Nombre de particules de taille ≥ x μm avant le filtre) / (Nombre de particules de taille ≥ x μm après le filtre)

Par exemple, β5 = 200 signifie que pour 200 particules de 5 µm ou plus qui pénètrent dans le filtre, une seule particule de même taille le traverse. Cela correspond à une efficacité de filtration de (200-1)/200 * 100 % = 99,5 % pour les particules de 5 μm et plus. Plus la valeur βx est élevée, plus le filtre est efficace. Pour les systèmes hydrauliques modernes hautes performances, les valeurs recommandées de βx(c) ≥ 1000 pour les tailles de particules critiques.

3. Caractéristiques techniques et normes

3.1. Codes de pureté ISO 4406

La norme internationale ISO 4406:2017 (anciennement ISO 4406:1999, encore largement utilisée) est la principale méthode de classification de la pureté des fluides hydrauliques. Il définit un code à trois chiffres qui représente la quantité de solides dans 1 ml de liquide pour trois tailles différentes :

1. Premier chiffre : nombre de particules ≥ 4 μm (ISO 4406 : 2017) ou ≥ 2 μm (ISO 4406 : 1999).
2. Deuxième chiffre : nombre de particules ≥ 6 μm (ISO 4406 : 2017) ou ≥ 5 μm (ISO 4406 : 1999).
3. Troisième chiffre : nombre de particules ≥ 14 μm (ISO 4406 : 2017) ou ≥ 15 μm (ISO 4406 : 1999).

Chaque nombre représente une « classe de pureté » correspondant à une plage de nombres de particules sur une échelle logarithmique. Par exemple, le code 16/18/13 signifie :

• Classe 18 : 130 000 - 250 000 particules ≥ 4 μm pour 1 ml.
• Classe 16 : 32 000 - 64 000 particules ≥ 6 μm pour 1 ml.
• Classe 13 : 4000 - 8000 particules ≥ 14 μm pour 1 ml.

D'autres normes, telles que NAS 1638 et SAE AS4059, sont préliminaires ou spécifiques à certaines industries (par exemple l'aviation). Bien qu'ils puissent encore être trouvés, ISO 4406 est le plus courant dans l'industrie.

3.2. Caractéristiques des éléments filtrants

• Fineness de filtration nominale et absolue :
  • Nominale : Spécifie la taille des particules que le filtre peut retenir avec une certaine efficacité (par exemple, 90 %). Cet indicateur est moins précis.
  • Absolu : Spécifie la taille des particules que le filtre peut conserver presque entièrement (par exemple, 98 à 99 %). Il est déterminé par un test à passes multiples ISO 16889 avec une valeur spécifique de βx (par exemple, βx ≥ 75 ou βx ≥ 200).
• Matériau de l'élément filtrant :
  • Cellulose (papier) : Option économique, mais a une capacité de saleté et une efficacité moindres que les matériaux synthétiques. Sensible à l'eau.
  • Microfibre (synthétique) : Haute efficacité (βx élevé), capacité de rétention importante des saletés, résistance à l'eau et aux produits chimiques. Il est largement utilisé pour des exigences élevées en matière de propreté.
  • Taille métallique : Utilisé pour la filtration grossière ou dans les systèmes où le nettoyage des éléments est requis.
  • Matériaux absorbant l'eau : Éléments spéciaux pour éliminer l'eau libre et émulsionnée.
• Pression d'effondrement : La chute de pression maximale à laquelle l'élément filtrant peut résister avant sa déformation ou son effondrement. Généralement 10 bars, 20 bars ou 210 bars pour les articles à haute pression. Norme ISO 2941.
• Débit : Débit maximal de liquide (l/min) pouvant traverser le filtre sans chute de pression excessive.
• Compatibilité des fluides : Les matériaux des filtres et des joints doivent être compatibles avec le type de fluide hydraulique (huiles minérales, fluides synthétiques, hydroglycol HFC). Norme ISO 2943.

3.3. Conformité aux normes

Tous les filtres et éléments filtrants fournis par UNITEC-D répondent aux normes internationales de qualité et de sécurité, notamment le marquage CE et la certification UkrSEPRO, qui confirment leur adéquation à une utilisation dans l'industrie ukrainienne.

Outre ISO 4406 et ISO 16889, les éléments suivants sont également importants :

• ISO 2942 : Vérification de l'intégrité de la fabrication de l'élément filtrant.
• EN 12792 : Fluide hydraulique - Filtres - Terminologie.
• DSTU ISO (normes pertinentes) : normes nationales ukrainiennes harmonisées avec les normes internationales.

4. Guide de sélection et de calcul

Choisir le bon filtre et l'élément filtrant approprié est un processus multifactoriel. Les critères suivants doivent être pris en compte :

4.1. Critères de sélection

1. Niveau de pureté du fluide cible (code ISO) : Déterminé par la sensibilité du composant le plus sensible du système. Par exemple, les servovalves peuvent nécessiter le 16/14/11, les vannes proportionnelles 17/15/12, les pompes à engrenages 19/17/14.
2. Type de système hydraulique : Les systèmes de haute précision (servohydraulique) nécessitent une filtration plus fine que les systèmes à usage général.
3. Pression et débit de service : Détermine le type de filtre (pression, vidange), sa conception et sa taille.
4. Type de fluide hydraulique et sa viscosité : Affecte le choix du matériau de l'élément et son débit (chute de pression).
5. Plage de température : affecte le choix des matériaux d'étanchéité et la viscosité du fluide.
6. Le taux de contamination : Détermine la capacité de saleté requise du filtre.

4.2. Types de filtres et leur emplacement

• Filtres d'aspiration (Suction Filters) : Protégez la pompe des grosses particules. Ils ont généralement une filtration grossière (60-250 microns) et sont situés à l'intérieur du réservoir ou sur la conduite d'aspiration. Il est important de minimiser la chute de pression à travers eux pour éviter la cavitation de la pompe.
• Filtres sous pression (Filtres sous pression) : Protégez les composants sensibles situés après la pompe. Ils sont installés sur la ligne haute pression. Nécessite un boîtier solide et des éléments avec une pression d'éclatement élevée (par exemple 20 bars ou 210 bars). Ils offrent une grande finesse de filtration (3-10 μm, βx ≥ 200).
• Filtres de conduite de retour : Protégez le réservoir hydraulique des contaminants revenant du système. Ils sont installés sur la conduite de vidange devant le réservoir. Ils ont généralement une finesse de filtration de 10 à 25 microns (βx ≥ 75). C'est le type de filtre le plus courant.
• Unités de filtration autonomes (filtres hors ligne/à boucle rénale) : installées dans un circuit séparé pour la filtration et le polissage continus du liquide, quel que soit le fonctionnement du système principal. Peut fournir des niveaux très élevés de propreté (βx ≥ 1000) et d’élimination de l’eau.
• Filtres de reniflard : Protégez le réservoir de la saleté et de l'humidité de l'air ambiant, qui entre lorsque le niveau de liquide change. Peut être combiné avec un absorbeur d'humidité.

4.3. Matrice de sélection de filtre

Le tableau ci-dessous fournit des recommandations générales pour la sélection de filtres pour différents types de systèmes hydrauliques. La sélection réelle doit être basée sur une analyse détaillée du système spécifique et des exigences du fabricant du composant.

4.4. Calcul de la taille du filtre

La taille du filtre (son débit) doit être calculée en tenant compte du débit de fluide maximum et de la perte de charge minimale souhaitée. Une règle générale consiste à sélectionner un filtre avec une capacité nominale supérieure de 20 à 30 % au débit de fonctionnement maximum du système, en particulier pour les filtres de vidange où le débit peut être pulsé. Cela fournit une marge pour la contamination des éléments et empêche un fonctionnement prématuré de la vanne de dérivation. Par exemple, pour un système avec un débit maximum de 100 l/min, il vaut la peine de choisir un filtre avec un débit de 120-130 l/min.

5. Meilleures pratiques pour l'installation et la mise en service

1. Rinçage du système : Les nouveaux systèmes hydrauliques, ainsi que les systèmes après une révision, doivent être soigneusement rincés avant la mise en service. Pour le lavage, une pompe de rinçage avec un filtre avec une finesse de filtration 1 à 2 classes supérieure au niveau de fonctionnement cible est utilisée, jusqu'à ce que le code ISO cible soit atteint. Cela vous permet d'éliminer les impuretés intégrées.
2. Sélection du boîtier du filtre : Le boîtier doit avoir une résistance adéquate pour la pression de service et être équipé d'un indicateur de chute de pression. La vanne de dérivation dans le boîtier du filtre doit être réglée à une pression conforme aux recommandations du fabricant (par exemple 3 bars pour la plupart des filtres de vidange).
3. Installation des filtres de reniflard : Installez des filtres de reniflard sur les réservoirs hydrauliques. Des filtres respiratoires avec une finesse de filtration de l'air de 3 microns et des propriétés d'absorption de l'humidité (avec gel de silice) sont recommandés pour empêcher la pénétration de particules et d'eau de l'air.
4. Propreté lors du remplacement des éléments : Les éléments filtrants doivent être remplacés dans les conditions les plus propres possibles. Utilisez des outils et des gants propres. Assurez-vous qu'il n'y a pas de poussière ou de saleté autour du boîtier du filtre. Remplacez toujours les joints toriques.
5. Remplissage du système : Le fluide hydraulique doit toujours être rempli dans le système à travers une unité de filtration (filtre-presse ou chariot filtre) avec la finesse de filtration appropriée, même si le fluide est fourni tel quel.