Joint d'étanchéité entre une paroi séparant deux milieux et un organe mobile traversant cette paroi La présente invention est relative à un joint d'étanchéité entre une paroi séparant deux milieux dans lesquels règnent des pressions différentes et un organe tel qu'une tige ou un arbre traversant cette paroi et animé par rap port à elle d'un mouvement relatif suivant l'axe de cet organe, ce mouvement pouvant être, soit une rotation ou une oscillation autour de cet axe, soit un mouvement de translation alter natif selon cet axe.
Pour la réalisation de tels joints, on utilise généralement des presse-étoupe.
Les presse-étoupe classiques comportent un corps creux dans lequel est bourré un corps de remplissage lubrifié ou autolubrifiant dont le serrage sur la tige ou sur l'arbre est obtenu par compression à l'aide d'un écrou ou autre pièce mobile. Celui-ci sert, en outre, au rat trapage de l'usure lorsque l'étanchéité devient insuffisante.
On connaît les ennuis éprouvés à l'usage de ces presse-étoupe en raison de la trop grande fréquence des rattrapages à effectuer et de la nécessité du remplacement du corps de rem plissage ou de la rectification des bagues d'étanchéité sur l'organe traversant la paroi.
De toute façon, si cette solution convient à la rigueur dans certaines applications courantes, elle est à rejeter chaque fois que l'étanchéité doit rester parfaite, même sans rattrapage d'usure, pendant un temps prolongé, dans les conditions d'utilisation sévères rappelées ci- dessus.
L'invention a pour but de réaliser, entre une paroi séparant deux milieux dans lesquels règnent deux pressions différentes et un organe traversant cette paroi et animé par rapport à elle d'un mouvement autour de son axe, un joint donnant une étanchéité excellente pendant une période prolongée, sans nécessiter de rat trapage d'usure ou le remplacement de pièces d'usure et ce,
dans les conditions d'utilisation les plus sévères en ce qui concerne la pression différentielle s'exerçant sur le joint et la nature du fluide à emprisonner dans l'un des milieux (fluide contenant des matières abrasives en sus pension et ayant une agressivité chimique mar quée ou s'opposant à une lubrification efficace et produisant le grippage ou ayant une nocivité ou inflammabilité dangereuse, même à faible dose dans l'atmosphère, etc.) Le joint suivant l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte un manchon composite formé d'une fourrure interne tubulaire métal lique sur laquelle est collée;
par une couche de liant plastique, une douille en un matériau extra-dur, ayant un poli de surface extrêmement poussé et un coefficient de frottement très faible, ce manchon composite étant emmanché sur ledit organe dans la partie de ce dernier qui coopère avec la paroi et ce manchon tra versant des trous alignés et calibrés d'un empilage de minces cuvettes en matière plas tique chimiquement inerte et à propriétés auto- lubrifiantes, la face concave de chacune de ces cuvettes étant tournée vers le milieu où règne la pression la plus faible, tandis que les bords de ces cuvettes sont serrés entre deux bagues rapportées sur ladite paroi.
Le matériau extra-dur constituant la douille externe peut être notamment de la silice fondue ou une matière céramique.
On constate que le joint d'étanchéité défini ci-dessus remplit les conditions indiquées plus haut à un degré surprenant. Les essais effec tués avec les mêmes cuvettes en superpolyamide (connu sous la marque de fabrique Nylon ) ou en polytétrafluoroéthylène (connu sous la marque de fabrique Téflon ) même en les faisant coopérer avec un revêtement métallique de dureté maximum (acier chromé électrolyti- quement à revêtement très dur)
montrent que la partie chromée s'use en très peu de temps (par exemple de quelques heures à quelques jours) et n'assure plus l'étanchéité requise, par exemple avec un' gaz toxique sous une pres sion de 150 k/cm2, alors que la coopération de ces cuvettes avec un manchon par exemple en silice fondue, matière céramique ou autre matériau extra-dur à surface parfaitement polie (poli optique) assure une étanchéité excellente pendant plusieurs centaines d'heures, sans au cun réglage ou entretien.
De même, la coopération du même man chon en silice fondue ou en matière céramique ou autre matériau extra-dur avec des cuvettes ou éléments fabriqués avec d'autres substances ou ayant d'autres formes ne donne pas de résultat satisfaisant, en raison, soit de l'abrasion rapide du bord interne des cuvettes, soit du défaut de plasticité de la matière, soit de l'absence de propriétés autolubrifiantes, soit de l'attaque chimique de la matière par le fluide à isoler.
Par ailleurs, grâce à la nature composite du manchon - l'adaptation de ce manchon sur un arbre ou une tige d'un diamètre donné, sur lequel l'emmanchement doit être très précis, la tolérance étant de l'ordre de 1/10o de milli- mètre, se trouve très facilitée puisqu'il suffit de partir d'un manchon dont le trou de la -fourrure est légèrement plus petit que le diamètre externe de cet arbre ou de cette tige ;
on peut donc réduire le nombre de modèles de manchons composites qu'il con vient d'avoir en stock, alors qu'avec un manchon entièrement en matière extra-dure, d'un réalésage coûteux, on est pratiquement dans l'obligation d'avoir autant de modèles de manchons que de diamètres envisagés pour les tiges ou arbres sur lesquels ces manchons doivent pouvoir être montés ; - par ailleurs, grâce à la couche intermédiaire plastique, tout risque de détérioration par éclatement ou fendillement dû aux diffé rences de dilatation en cas d'un dégagement anormal de chaleur est évité, car cette couche intermédiaire peut encaisser, par son aplatissement radial, l'augmentation re lative de diamètre de la tige ou de l'arbre.
Le dessin annexé montre, à titre d'exemple, une forme d'exécution d'un joint d'étanchéité suivant l'invention appliqué à un palier.
La fig. 1 est une coupe axiale dudit palier. La fig. 2 est une coupe diamétrale de l'une des cuvettes d'étanchéité.
Sur le dessin, 1 désigne un arbre rotatif ou oscillant comportant une partie 2 de dia mètre réduit, sur lequel est emmanché un manchon composite 3. Ce manchon comporte une fourrure interne métallique 3a sur laquelle est collée, par une couche plastique 3b, une douille externe 3c.
Les surfaces conjuguées externe de la four rure et interne de la douille peuvent être, soit cylindriques, soit tronconiques comme repré senté en vue de faciliter la répartition de la couche plastique 3b. La fourrure 31, peut avantageusement être en acier, soit ordinaire, soit de même compo sition que celui de l'arbre 1, soit encore inoxy dable.
La couche 3b plastique est en résine thermo durcissable, additionnée ou non d'une charge inerte. On peut très avantageusement utiliser une résine éthoxylique, par exemple la résine désignée sous la marque de fabrique Aral dite de la Société Suisse Ciba.
Quant à la douille externe Y très dure, elle est en silice fondue, en céramique ou autre matériau extra-dur dont la surface cylindrique est polie avec une meule diamantée par exem ple, de façon à posséder l'état de surface qu'on appelle le poli optique .
La fourrure 3a, qui a le même coefficient de dilatation que l'arbre 1, est emmanchée à frottement doux sur l'arbre.
On notera que la portion 2 de l'arbre et l'alésage interne et la fourrure 3a peuvent être cylindriques ou présenter une certaine conicité ; voire même la portion 2 de l'arbre pourrait être à pans et le trou de la fourrure 3a aurait la même forme.
Le manchon composite 3 est bloqué en place par un écrou 4 et un contre-écrou 5, vissés sur un filetage 6 de l'arbre. Un joint d'étanchéité, par exemple une rondelle métallo plastique 7, est interposé entre le manchon composite 3 et un épaulement 8 de l'arbre. Une autre rondelle analogue 9 est interposée entre l'écrou 4 et le manchon composite 3, de manière à éviter des efforts de compression longitudinaux trop élevés sur ce manchon en cas de serrage excessif de l'écrou 4.
Une rondelle métallique 10 est disposée entre l'écrou 4 et la rondelle métalloplas tique 9.
L'arbre peut être guidé dans un palier à coussinets, à billes, à rouleaux, à aiguilles, etc. Dans l'exemple représenté, on utilise un coussinet 11 en polytétrafluoroéthylène ( Té flon ) portant sur le manchon 3, ce coussinet étant monté dans une cuvette 12, fixée sur une paroi du bâti 13 de l'appareil. L'espace ou milieu, situé à gauche de la paroi 13, est supposé à la pression atmosphérique et l'espace situé à droite à une pression supérieure.
Le dispositif d'étanchéité décrit a donc pour but d'empêcher les fuites de la droite vers la gauche, le long du manchon composite 3.
Dans ce but, ce manchon composite tra verse sans jeu des trous alignés et calibrés d'un empilage de minces cuvettes 14 en matière plastique ayant les qualités susindiquées, la concavité de ces cuvettes étant tournée vers l'enceinte soumise à la pression la plus faible, c'est-à-dire vers la gauche dans l'exemple en visagé, tandis que leurs bords périphériques sont serrés entre deux bagues 15 et 16. La bague 15 s'appuie contre la bague de gui dage 11, tandis que la bague 16 est serrée sur l'empilage par l'épaulement 17 d'un écrou 18 vissé sur une partie filetée de la cuvette 12.
Les faces transversales des bagues 15 et 16 sont décolletées de façon à présenter des sur faces coniques 15a et 16a correspondant à la partie conique 19 (fig. 2) des cuvettes 14 en matière plastique. L'angle au sommet de cette partie conique est, par exemple, de 120".
Le diamètre des trous 20 des cuvettes plastiques 14 est légèrement inférieur au dia mètre externe du manchon composite 3 (la différence de diamètre étant par exemple de 0,1 mm) de façon que l'introduction du man chon provoque une certaine déformation du bord interne des cuvettes.
Les cuvettes 14 sont, de préférence, dé coupées dans des feuilles de superpolyamide ou de tétrafluoroéthylène, d'une épaisseur de l'ordre d'un millimètre et sont embouties.
L'empilage des cuvettes est serré entre les bagues 15 et 16, sur la majeure partie de l'étendue desdites cuvettes, seul le bord annu laire de celles-ci étant libre sur une hauteur de l'ordre du millimètre par exemple. De cette façon, les parties coniques des cuvettes sont emprisonnées et solidement maintenues dans leur forme initiale.
Les cuvettes plastiques superposées, dé formées par l'introduction du manchon 3, s'ap puient sur la douille très dure 3c de celui-ci, de façon étanche, et la pression qui s'exerce de la droite vers la gauche tend à les appliquer sur le manchon d'autant plus fortement que cette pression est plus élevée. Le faible coeffi- cient de frottement des matériaux employés et le pouvoir autolubrifiant des cuvettes plastiques tendent à réduire les pertes par frottement et dégagement de chaleur.
On constate que l'usure est extrêmement faible, de telle sorte que l'étanchéité se main tient pendant plusieurs centaines d'heures de fonctionnement, sans entretien ni réglage.
On ne reviendra pas sur les facilités de montage exposées plus haut.
En ce qui concerne les différences de dila tation dues à une élévation anormale de tem pérature, le coefficient de dilatation de l'acier étant de 120 X 10-7, tandis que celui de la céramique est compris entre 60 X 10-7 et 70 X 10-7 et celui du quartz de 0,54 X 10-7, cette élévation de température provoque une dilatation beaucoup plus importante de la fourrure interne 3d que de la douille externe 3c,
mais leur différence de dilatation est compensée par un écrasement radial de la couche plastique intermédiaire 3b. La douille 3c ne risque donc pas de se fendiller ou d'éclater.
On notera enfin qu'une fuite au droit d'une cuvette 1.4 n'affecte pas l'étanchéité de l'en semble ; les interstices entre les cuvettes et l'empilage jouent le rôle d'un labyrinthe éta- blissant un gradient de pression d'une extrémité à l'autre de l'empilage.
Si le fluide dont il faut empêcher la fuite est inflammable, il peut être opportun d7em- pêcher le développement de charges électriques dues au frottement de la matière plastique sur le manchon en matière céramique. Pour per- mettre l'évacuation des charges électriques, on peut utiliser une masse céramique à base d'oxyde de titane que l'on réduit partiellement par l'hydrogène à haute température, par des procédés connus dans la fabrication des guide- fil et autres pièces en céramique, utilisées dans l'industrie textile.