Simulation is more than Software

Version d’essai
0
Liste de souhaits
0 0
Panier

Contact direct
FR

Optimisation d'une pompe à piston par la conception de roulements basée sur la simulation

Optimisation des roulements à billes à haute pression

Qu'il s'agisse de nettoyer des surfaces, d'enlever des couches de recouvrement ou de découper au jet d'eau, les pompes à piston de Hammelmann trouvent des applications utiles dans pratiquement tous les secteurs industriels. Ces pompes haute pression atteignent jusqu'à 4 500 bars et des débits allant jusqu'à 3 000 litres par minute, avec une puissance nominale allant jusqu'à 1,1 mégawatt.

Afin d'atteindre une efficacité énergétique élevée et une fiabilité extrême, les ingénieurs de Hammelmann s'appuient sur une combinaison de tests et de simulations. Cela permet de développer une conception innovante et robuste, tout en économisant beaucoup de temps en réduisant le nombre de prototypes.

À propos de Hammelmann

Hammelmann GmbH (www.hammelmann.com), dont le siège social est situé à Oelde, en Westphalie (Allemagne), fabrique des pompes à piston haute pression, des pompes de traitement et des systèmes d'application haute pression. Elle possède des filiales aux États-Unis, en Chine, en Australie, en Espagne, en France et en Suisse, ainsi que 40 représentants dans le monde entier. La société allemande fait partie du groupe italien Interpump.

Dans le cadre du règlement (CE) n° 1907/2006 concernant l'enregistrement, l'évaluation et l'autorisation des substances chimiques, ainsi que les restrictions applicables à ces substances (REACH), il a fallu procéder à un changement de matériau pour les coussinets de palier d'une pompe à piston. Les examens sur banc d'essai prennent beaucoup de temps et sont très coûteux, et les possibilités de changement sont par conséquent limitées. C'est pourquoi des simulations élastohydrodynamiques (EHD) ont été réalisées pour le petit oeil de bielle d'une pompe à piston à l'aide de l'outil de simulation Tribo-X inside Ansys. Contrairement aux expériences, les modifications du modèle de simulation peuvent être mises en œuvre très rapidement et les résultats des calculs peuvent être évalués directement. Ce n'est que lorsque le résultat souhaité a été atteint qu'il passe ensuite au banc d'essai.

À partir du matériau utilisé précédemment, basé sur un alliage cuivre-plomb appliqué sur un support en acier, un changement de matériau est effectué vers un coussinet en alliage de bronze conforme à REACH sans support en acier.

Dans un premier temps, les simulations ont montré une détérioration de la capacité de charge au cours du changement de matériau. Ceci est dû à un support moins bon des pressions hydrodynamiques en raison de l'absence de support en acier. En outre, il y avait un frottement mixte entre le boulon et le coussinet dans la plage de charge à haute pression de la pompe, ce qui est associé à l'usure et à l'augmentation des pertes par frottement.

Afin de compenser cette détérioration de la capacité de charge et dans le but d'améliorer les performances de fonctionnement de la pompe, un repositionnement des deux poches de lubrifiant a également été analysé par la simulation. Afin d'améliorer la capacité de charge du système, une solution a été trouvée par la simulation de différentes conceptions de paliers qui permettrait au coussinet conforme à REACH de fonctionner en dehors du frottement mixte et donc sans contact de surface pour la plage de fonctionnement analysée. Cela signifie que, grâce à sa conception optimisée, le nouveau coussinet peut être utilisé dans la pompe à piston avec des pertes par frottement plus faibles et une durée de vie plus longue.

Interview avec Felix Hartmann

Felix Hartmann, coordinateur de l'équipe de conception des pompes chez Hammelmann GmbH, a répondu à quelques questions sur l'utilisation de la simulation dans l'optimisation des paliers lisses.

Pourquoi la simulation est-elle un complément utile au processus de conception existant ?

Les tests des pompes à piston prennent beaucoup de temps. Plusieurs heures, voire plusieurs jours, peuvent rapidement être consacrés à leur réalisation. De plus, une quantité considérable de connaissances empiriques est nécessaire pour atteindre l'objectif souhaité sur la base de quelques tests seulement. L'utilisation de la simulation permet de comparer simplement différentes variantes de conception, le tout avec des temps de réponse relativement courts.

Quelle est l'importance des paliers lisses dans ce contexte et comment ont-ils été conçus jusqu'à présent ?

En tant que pièces de transmission de force, les paliers lisses sont un élément essentiel de la pompe haute pression. Quelques micromètres sont ici cruciaux. Dans le passé, nous avons souvent conçu les paliers lisses de manière analytique. Mais cette méthode ne peut être utilisée que dans une certaine mesure, et nous avons donc également effectué des analyses de flux lorsque cela était nécessaire. Cependant, nous étions confrontés au problème d'un mauvais comportement de convergence en raison de la faible hauteur de l'interstice de lubrification. Cela a conduit à des temps de calcul longs.

Lors de la simulation du palier de bielle, quelles sont les particularités à prendre en compte ?

En raison du mouvement de pivotement du petit oeil de bielle, le sens de rotation s'inverse. Cela influe sur l'augmentation de la pression hydrodynamique. Avec l'inversion de la rotation, le point critique se produit au passage à zéro, pour ainsi dire. En outre, les charges sont variables en fonction des cycles de fonctionnement. Ainsi, l'augmentation de la pression due au déplacement (compression) entraîne une surcharge et un déplacement brusque du boulon.

Les pressions élevées dans l'interstice de lubrification entraînent également une déformation élastique de la coquille de roulement, ce qui endommage l'interstice. Une alimentation en huile suffisante dépend donc de nombreuses conditions limites. Un outil de simulation puissant est nécessaire pour prendre en compte tous ces facteurs importants.

Quels sont les avantages pour Hammelmann d'utiliser Tribo-X dans Ansys pour simuler le palier de bielle ?

Avec Tribo-X, nous pouvons rapidement et facilement simuler des variations importantes des paramètres du palier lisse de bielle. Cela nous permet de mieux comprendre le comportement de nos paliers lisses et d'analyser à l'avance quelles modifications permettront d'obtenir quel comportement de fonctionnement. Ceci est essentiel pour une conception économe en énergie des paliers lisses.

La simulation permet de réduire les efforts et les coûts, en diminuant le nombre de prototypes qui seraient autrement nécessaires. Moins de prototypes en service signifie également moins de consommation d'énergie. En chiffres, cela représente environ 10 000 € par variante d'essai économisée. Toutefois, seuls les coûts de matériel et d'énergie purs ont été pris en compte ici. Si l'on prend en compte les frais de personnel, ainsi que d'autres coûts supplémentaires, le coût total pourrait dépasser 50 000 €.

Un autre avantage est que, par rapport aux prototypes, les zones critiques et les limites de tolérance requises peuvent être analysées plus précisément pendant la simulation. En outre, les limites de charge exactes peuvent être déterminées, et le comportement global de la machine peut être mieux contrôlé. En outre, à l'avenir, des variantes, des adaptations, des configurations personnalisées et de nouvelles normes pourront être mises en œuvre rapidement et de manière fiable.

En termes de simulation, quelles sont les prochaines étapes ?

Après une vérification réussie, d'autres types de pompes devraient également être simulés et optimisés. En outre, il convient de vérifier si les raccords rotatifs hydrauliques peuvent être optimisés au moyen de Tribo-X dans Ansys.

Merci M. Hartmann pour les informations intéressantes sur la simulation avec Tribo-X dans Ansys. Je vous souhaite beaucoup de succès avec les pompes à piston.

Hammelmann GmbH
Felix Hartmann
www.hammelmann.com

Auteur: Gerhard Friederici, CADFEM
Images: © Hammelmann GmbH

Contact CADFEM

Area Manager, System & Process Integration