La compressibilité relative des huiles hydrauliques est susceptible d’occasionner une série de problèmes dans les installations hydrauliques. Certains facteurs tels que les variations de température et la présence de bulles d’air influencent la compressibilité de l’huile hydraulique au point de provoquer une décompression incontrôlée ainsi que d’autres problèmes liés à la compressibilité.
Les huiles hydrauliques sont relativement incompressibles, mais les réductions de volume sont susceptibles d’être significatives en fonction de la pression, de la température, du type de fluide et de la conception du système.
Compressibilité et module de compressibilité
La compressibilité (k) est la caractéristique d’un corps quantifiant toute variation relative du volume sous l’effet de la pression appliquée. Elle s’exprime généralement par le biais du module de compressibilité (β), lequel équivaut à l’inverse de la compressibilité (k=1/β).
Le module de compressibilité exprime la résistance d’un fluide à une réduction de volume due à une compression. Le module de compressibilité varie en fonction de la pression, de la température, de la structure moléculaire, de la teneur en gaz et de l’élasticité du système hydraulique.
Dilatation thermique des huiles hydrauliques
Le volume d’une huile hydraulique spécifique évolue non seulement sous l’effet de la variations de pression, mais aussi de la variations de température. Lorsque la température augmente, la densité de l’huile diminue et l’on observe une augmentation du volume. Le degré de dilatation relevé s’exprime sous la forme d’un coefficient de dilatation thermique (α). Ce coefficient exprime le rapport entre la variation relative du volume et la variation de température.
Effet des bulles d’air sur la compressibilité
La présence de bulles d’air dans le fluide hydraulique en augmente la compressibilité. En d’autres termes, l’air dissous diminue le module de compressibilité des huiles minérales et par conséquent leur résistance à la compression. Cet effet est particulièrement perceptible quand la pression de fonctionnement est peu élevée. Lors de la mise sous pression du fluide, l’air acheminé est comprimé et son influence sur la compressibilité est moindre.
La figure 1 rend compte de l’effet de l’air acheminé sur le module de compressibilité.
À titre d’exemple, à basse pression (50 bars) (1 bar = 1·10-1 MPa) et 0,5 % l’air non dissous influence le module de compressibilité et le diminue de moitié. La figure 2 montre les réductions de volume observées pour une huile minérale (ISO VG 46) à 20 ºC en présence d’air non dissous dans le système.
Impact de la conception d’un système sur la compressibilité
L’élasticité du système s’ajoute à la compressibilité totale de chacun des composants distincts qui constituent un système hydraulique (réduction du module de compressibilité). Même si le module de compressibilité effectif dépend davantage du fluide hydraulique, la contribution d’autres éléments du système considéré (tubes, joints d’étanchéité, valves hydrauliques, flexibles, etc.) est également significative. Cette contribution est particulièrement perceptible, par exemple, en cas d’utilisation de tuyaux flexibles au lieu de tubes rigides.
Effets négatifs de la compressibilité
En règle générale, les fluides hydrauliques sont considérés comme incompressibles. Néanmoins, les huiles minérales présentent une certaine compressibilité susceptible d’occasionner divers problèmes au sein des systèmes hydrauliques : perte de rendement (perte de puissance), cavitation (risque de cassure métallique), corrosion sous contrainte et fatigue des matériaux. Sous l’effet de la compression, les fluides hydrauliques emmagasinent de l’énergie ; un fluide comprimé est à même de produire un travail. En cas de décompression incontrôlée, l’énergie emmagasinée est libérée instantanément. Cette libération soudaine d’énergie crée des contraintes, engendre du bruit et risque d’endommager les composants hydrauliques du système. Une conception judicieuse du système permet de maîtriser cet effet.
Prévention d’une compressibilité excessive des fluides au sein de systèmes hydrauliques
En pratique, la principale exigence à remplir pour obtenir une compressibilité acceptable consiste à s’assurer que le fluide hydraulique demeure exempt d’air acheminé. Un pouvoir de désaération satisfaisant permet de réduire de manière significative la compressibilité du fluide considéré et donc de diminuer la réduction du volume et l’incidence des problèmes qui vont de pair avec celle-ci.
