Conception d'ensembles de tuyaux hydrauliques : Guide complet pour ingénieurs

Par Josh Cosford, Rédacteur contributeur

Comme leurs homologues raccords et adaptateurs, les ensembles de tuyaux hydrauliques sont souvent une réflexion après coup pour le concepteur hydraulique. Je préférerais moi aussi travailler sur la conception d'un circuit hydraulique unique, mais nous ne devons pas oublier l'importance d'une approche holistique de la conception de machine. Vos techniciens en puissance fluide sont une pièce essentielle du puzzle pour garantir que les tuyaux sont expertement conçus et installés, mais votre prévoyance contribue grandement à réduire les coûts, faciliter l'installation et améliorer la fiabilité.

En supposant que vous êtes le concepteur hydraulique, et non l'ingénieur responsable de la machine elle-même, il y a de nombreuses considérations lors de la planification des ensembles de tuyaux. Généralement, vous devez considérer trois éléments lors de la sélection et de la planification des ensembles de tuyaux de votre machine : la construction du tuyau, la sélection des embouts et les options de routage.

Premièrement : la construction du tuyau

Sélectionner le bon style de construction de tuyau joue le rôle le plus important pour fournir aux clients une machine hydraulique efficace et sûre. La compatibilité de pression est le facteur principal à considérer lors de la sélection de votre tuyau, et votre point de départ devrait être le tableau ci-dessous sur les normes SAE J517 pour les tuyaux hydrauliques.

Norme de construction de tuyau hydraulique SAE J517

Vous devriez sélectionner votre tuyau hydraulique en fonction de la plage de pression de travail maximale que votre machine subit. Cette plage prend en compte le plus grand diamètre (pression la plus basse) et le plus petit diamètre (pression la plus élevée), qui sont au cœur de l'hydraulique. De par leur nature même, les petits tuyaux gèrent la haute pression plus facilement que les gros diamètres, alors vérifiez auprès de votre fournisseur la pression nominale du diamètre dont vous avez besoin pour le débit de votre machine.

Tous les tuyaux hydrauliques sont évalués pour leur pression de travail, qui est la moitié de la pression d'épreuve et la moitié à nouveau de la pression d'éclatement. Si votre système est sujet à des pics de pression, vous devrez peut-être sélectionner un tuyau évalué pour une pression légèrement supérieure à votre pression de travail nominale. La pression d'épreuve décrit le point où un tuyau hydraulique subit des dommages permanents, il est donc préférable d'éviter d'approcher cette limite sur le manomètre.

Dans de nombreux cas, vous voudrez peut-être éviter les vénérables normes 100R1 et 100R2 si votre machine a une variété de tailles de tuyaux tout en fonctionnant à au moins 3 000 psi. De nombreux fabricants de machines standardisent sur l'une des désignations de tuyaux isobariques, comme 100R17, où chaque tuyau de 3/16 à 1 pouce est évalué pour 3 000 psi. Leur popularité croissante a réduit les coûts de production, car de nombreux fabricants de tuyaux ont augmenté leur production selon ce design.

Il est très important d'utiliser un tuyau du diamètre intérieur correct, car changer le diamètre intérieur du tuyau peut modifier la pression du système. Si le tuyau de remplacement est trop petit pour le débit, vous avez introduit une nouvelle restriction. La pression du système augmentera.
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Si vous avez besoin de gros tuyaux à plus de 3 000 psi, vous devrez explorer des options comme 100R12, 100R13 et 100R15, qui emploient des fils de renforcement enroulés en spirale avec quatre ou six couches. Certains suggèrent de choisir un tuyau évalué pour 25 à 50 % au-dessus de votre pression de travail, mais en réalité, les directives strictes sur les tuyaux prennent déjà en compte les pics de pression, et les fabricants construisent en conséquence.

Considérations de débit

Après avoir choisi un type de construction de tuyau, vous aurez besoin du diamètre qui convient le mieux au débit. N'oubliez pas de prendre en compte les situations uniques, telles que les cylindres différentiels et le débit additif généré au niveau du port de tête pendant la rétraction. Dans les cas où le rapport de surface est élevé, vous pouvez observer plus du double du débit, alors assurez-vous que le tuyau est dimensionné de manière appropriée.

Il n'y a pas de description absolue de la capacité de débit pour un tuyau hydraulique car quatre scénarios déterminent la vitesse maximale du fluide, qui est généralement notre facteur limitant plutôt que quelque chose de plus difficile à calculer, comme la perte de charge. En partant du bas, empêchez une vitesse excessive dans les lignes d'aspiration, où le vide pourrait entraîner la formation spontanée de bulles de gaz que nous appelons cavitation. En règle générale, ne laissez jamais les lignes d'aspiration dépasser 3 à 4 pi/s ; plus bas est toujours mieux, donc il n'y a pas de mal à viser 1 pi/s si l'espace le permet.

À gauche, c'est le rayon de courbure minimum autorisé pour ce tuyau. À droite, la courbure du tuyau (tracée en rouge) est bien plus serrée que le rayon de courbure minimum autorisé par le fabricant (montré en vert).
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Assurez-vous également que les lignes de drainage de carter et les lignes pilotes sont limitées à 1 pi/s ou moins. En aucun cas vous ne voulez risquer d'endommager les organes internes de la pompe ou les commandes. Vous pouvez être plus libéral avec les vitesses des lignes de pression et de retour, pour la plupart. Les lignes de pression, telles que la pression de la pompe et les lignes de travail, peuvent varier de 20 à 30 pi/s et dépendent de la pression. Les systèmes à haute pression sont plus adaptés aux vitesses élevées car moins de fluide est perdu en perte de charge par rapport à la pression maximale. Par exemple, faire fonctionner à 30 pi/s dans un système à 4 000 psi est moins problématique que 30 pi/s dans un système à 1 000 psi.

Notez que les lignes de retour doivent également être dimensionnées pour limiter la vitesse, bien que pas autant que les lignes d'aspiration. Il est raisonnable de fonctionner autour de 6 à 10 pi/s dans ce cas, et l'objectif principal est de limiter la contre-pression dans les lignes de réservoir des soupapes et des drains de carter, mais aussi d'empêcher une pression excessive au niveau des boîtiers de filtres de retour. Une certaine considération doit être donnée à la taille de la ligne malgré la vitesse de fluide idéale. Les petites lignes sont naturellement plus sujettes à la perte de charge, alors assurez-vous d'éviter les très petites lignes d'aspiration, de pression et de retour même si elles entrent dans la plage de vitesse idéale.

Un petit diamètre intérieur de tuyau est soumis à des forces de frottement plus élevées du fluide qui s'écoule de manière disproportionnée à travers la couche limite. Inversement, un tuyau plus grand permet l'écoulement par le centre et loin des parois du tube intérieur. De plus, les lignes de retour et de pression sont plus susceptibles de subir un écoulement turbulent et une dissipation d'énergie, entraînant une perte de charge. En cas de doute, ne lésinez pas sur le diamètre et risquez les ennuis résultant de tuyaux sous-dimensionnés. En pratique, lors de la fabrication d'un ensemble de tuyaux pour une machine hydraulique, il est courant de voir un tuyau d'aspiration de 2 po, un tuyau de pression de 3/4 po, un tuyau de retour de 1 po et un tuyau de drainage de carter de 1/2 po.

Ne négligez pas les embouts de tuyau

Nous avons maintenant finalisé le type de construction le mieux adapté à la pression hydraulique de notre machine et affiné notre diamètre intérieur pour convenir au débit du système ; nous devons maintenant choisir nos embouts de tuyau. Vous êtes un concepteur hydraulique en 2025, alors coupons court aux bavardages : nous ne sélectionnerons que des connexions sans fuite utilisant des joints en caoutchouc synthétique. Désolé, NPT et JIC — vous avez été formidables, et je chéris tous nos souvenirs, mais c'est vous, pas moi. Les raccords à face à joint torique, à bossage à joint torique et les brides offrent bien plus dans cette relation.

L'ORFS est rapidement devenu la connexion de choix, offrant tous les avantages du style JIC avec une connexion sans fuite. Il est disponible dans une variété de tailles, avec des coudes d'embout à 45° et 90°, et les extrémités femelles sont équipées de pivots pour faciliter l'installation. Le joint torique facilement remplaçable est situé sur la face de l'extrémité mâle, rendant les travaux de maintenance rapides lorsque des fuites surviennent.

Les raccords à bride, tels que les styles SAE Code 61 et Code 62 courants, sont couramment utilisés pour les connexions à haute pression et/ou à haut débit. Les connexions à bride fendue permettent au technicien d'aligner l'embout de tuyau de manière appropriée pour éviter le grippage ou la torsion, et, comme le raccord ORFS, le joint torique réside sur l'extrémité mâle (il n'y a pas de « bride femelle » car les mâles se fixent sur la surface de connexion plane où se trouve le port).

Généralement, le raccord à bossage à joint torique est utilisé comme connexion intermédiaire vers l'embout de tuyau. Similaire au BSPP ou au métrique, ceux-ci utilisent un joint polymère situé au sommet du filetage du port, scellé par une cavité dans le filetage du port (ORB) ou par une rondelle collée (BSPP et métrique). Cependant, l'ORB est rarement utilisé comme embout de tuyau car le raccord mâle nécessite un pivot coûteux. Ils existent et sont disponibles en orientation droite ou à 90°, mais de nombreux concepteurs préfèrent les connexions femelles pour les tuyaux.

Pour atténuer le courrier de haine, je devrais mentionner que certaines machines utilisent heureusement des raccords JIC et NPT, et c'est parfaitement bien. Cependant, ce guide de conception est biaisé vers la technologie supérieure, et je serais négligent de ne pas推推 au-delà des embouts avec joints remplaçables. Les raccords ORFS et à bride sont simplement meilleurs, alors mettez-vous à la page et utilisez-les. Donc, malgré le fait que le JIC soit facile à utiliser avec les systèmes de cintrage de tubes, de nombreux fabricants offrent des connexions de tube en deux pièces pour ORFS, et les raccords à bride peuvent également être soudés aux tubes. De plus, cet article concerne vraiment les ensembles de tuyaux, pas la plomberie tubulaire.

Parce que le tuyau peut changer de longueur sous une surtension de haute pression, il est important de fournir un jeu suffisant pour l'expansion.
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Disposition et routage

La considération finale pour les concepteurs hydrauliques concerne la disposition physique des ensembles de tuyaux sur la machine elle-même. Les tuyaux méritent mieux que la simple jonction du point A au point B. Leur orientation, disposition et montage doivent prévenir l'usure par frottement, la pression excessive sur les joints et les forces de torsion. Sont illustrées diverses méthodes incorrectes et correctes de montage des ensembles de tuyaux hydrauliques pour prévenir la flexion au niveau du joint serti. Le poids du tuyau ne devrait jamais encourager la flexion au point où l'embout en acier pince la gaine du tuyau. Si le poids d'un tuyau provoque un affaissement, utilisez des embouts à 90° pour soutenir la courbure et laisser le tuyau pendre naturellement.

La longueur du tuyau doit être suffisante pour prévenir les contraintes lors de la connexion et du serrage, mais pas si longue qu'elle frotte ou vibre contre un autre tuyau ou surface. Les longs parcours de tuyaux doivent être fixés contre la machine en utilisant l'une des nombreuses technologies. Les fabricants offrent des blocs, des selles, des colliers et diverses technologies, soudés ou boulonnés à la machine, pour fixer proprement le tuyau.

Les colliers doivent être utilisés pour soutenir correctement le tuyau. Cela les empêche de fouetter sous pression et il n'y a pas de contrainte inutile sur les raccords. Image courtesy of LunchBox Sessions

Lors de l'installation de longueurs de tuyau sur de tels systèmes, assurez-vous d'éviter le serrage excessif du collier ou du tuyau entre les connexions. Pour gérer les cycles de pression et de température, il doit y avoir un léger jeu entre chaque point de connexion tout en évitant un serrage excessif qui pourrait endommager la gaine ou la couche de renforcement. Lorsque les tuyaux ne peuvent pas être empêchés de frotter contre des surfaces dures ou d'autres tuyaux, installez chaque tuyau avec une gaine de protection conçue pour réduire l'usure et le frottement. Ceux-ci peuvent également protéger contre les dommages ambiants ou environnementaux, tels que les retombées industrielles ou les rayons UV, et doivent également être utilisés lorsque les tuyaux sont routés à l'intérieur de canaux ou de poutres.

Lorsque le concepteur hydraulique considère son rôle comme complet, chaque couche de conception de machine — du schéma original au produit fini — devrait être intelligemment planifiée et organisée pour la conception la plus efficace, économique et efficace possible. Les ensembles de tuyaux semblent élémentaires, mais le reste de la machine importe peu lorsque des tuyaux éclatés ou endommagés affligent votre système hydraulique.

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