Dispositif presse-étoupe La présente invention a pour objet un dispositif presse-étoupe pour arbre rotatif.
De tels dispositifs presse-étoupe présentent habi tuellement une butée annulaire fixe située sur l'arbre, qui fournit une surface d'étanchéité contre laquelle un manchon d'étanchéité est sollicité élastiquement pour être poussé axialement de façon à venir en prise par friction avec ladite surface d'étanchéité. Cette poussée élastique détruit fréquemment l'alignement correct des faces d'étanchéité et, aux températures élevées, le ressort subit un recuit et ne peut plus agir.
Le dispositif presse-étoupe pour arbre rotatif, objet de la présente invention, est caractérisé par une première bague entourant l'arbre empêché de tourner et présentant une face d'étanchéité annulaire plane en contact avec une face d'étanchéité annulaire plane d'une deuxième bague montée sur l'arbre et tournant avec lui, l'une des bagues étant reliée à sa partie cor respondante par un dispositif lui permettant un mou vement axial et un mouvement oscillant par rapport à ladite partie afin que les faces d'étanchéité des deux bagues puissent s'appliquer correctement l'une contre l'autre,
l'une des bagues comprenant une matière aimantée attirant une matière magnétique de l'autre de façon à maintenir lesdites faces d'étan chéité en contact.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, quelques formes d'exécution du dispositif presse- étoupe faisant l'objet de l'invention, et des variantes.
La fig. 1 est une coupe longitudinale d'une pre mière forme d'exécution.
La fig. 2 est une vue de face d'une des bagues de cette forme d'exécution. Les fig. 3 à 5 sont des coupes analogues repré sentant différents stades de la fabrication de cette bague.
La fig. 6 est une coupe analogue à celle de la fig. 1, représentant une variante du dispositif de la fig. 1.
La fig. 7 est une coupe suivant la ligne 7-7 de la fig. 6.
La fig. 8 est une coupe d'une deuxième forme d'exécution.
La fig. 9 est une coupe montrant une variante du dispositif de la fig. 8.
La fig. 10 est une vue fragmentaire en plan de la liaison à clavette destinée à empêcher la rotation des pièces de la fig. 8.
La fig. 11 est une vue fragmentaire en bout de la liaison à clavette de la fig. 9.
La fig. 12 est une coupe d'une troisième forme d'exécution.
La fig. 13 est une coupe d'une quatrième forme d'exécution.
La fig. 14 est une vue d'une variante du dispo sitif de la fig. 13.
A la fig. 1, 10 désigne de façon générale un boî tier comportant une paroi 11 munie d'un orifice cir culaire 12 présentant une partie d'alésage de plus grand diamètre 13 et un épaulement annulaire interne 14. Un arbre 15, monté pour tourner, fait saillie à travers l'alésage 13 et s'étend concentrique ment à ce dernier. Un palier (non représenté) peut être fixé à la paroi pour supporter la partie adjacente de l'arbre.
Le boitier 10 contient un fluide sous pres sion (à gauche de la paroi 11).
Une bague 17 est maintenue fixe dans la partie d'alésage 13 et présente une lèvre annulaire 19 pré sentant une surface d'étanchéité plane entourant l'ar bre 15. L'alésage 20 de la bague 17 est suffisamment plus grand que l'arbre pour laisser un jeu entre la bague et l'arbre.
Une bague 18 est montée sur l'arbre pour tour ner avec lui et présente une face d'étanchéité annu laire plane 21 en contact avec la face présentée par la lèvre 19.. L'alésage 22 de la bague 18 est légère ment plus grand que l'arbre et permet un mouvement axial de la bague 18. L'alésage 22 est élargi à l'ex trémité 23 de la bague et forme un évidement annu laire 24 de plus grand diamètre et un épaulement 25.
Un anneau élastique mou 26, de forme torique, est disposé à l'intérieur de l'évidement 24 et vient en prise de façon étanche au fluide avec l'arbre 15, la paroi de l'alésage 24, et l'épaulement 25. Ainsi, l'an neau 26 empêche l'échappement de fluide entre l'ar bre et la paroi de l'alésage 22 et fournit également un dispositif d'accouplement destiné à fixer la bague 18 à l'arbre 15 en vue de tourner avec ce dernier, ainsi que pour permettre un mouvement axial en direction de la surface d'étanchéité et un mouvement oscillant de la bague en vue d'un alignement des faces d'étanchéité.
Un anneau fendu 27 empêche l'anneau torique de se déplacer dans l'alésage 24 après le montage de la bague sur l'arbre 15.
La pression de fluide agissant sur la bague tend à la déplacer en direction de la bague 17, grâce au fait que la face d'étanchéité à l'extrémité 21 de la bague 18 a une surface moindre que la surface effec tive soumise à la pression du fluide.
La bague 17 est faite d'un acier à faible teneur en carbone, par exemple un- acier 10-10, qui peut être un acier laminé à froid. Seules la lèvre 19 et la paroi de l'alésage 20 sont trempées. Ceci nécessite une cémentation préalable des surfaces à tremper. A cette fin, la bague en question pourrait être fabriquée comme suit: une ébauche 29 (voir fig. 3) est usinée à un diamètre tel qu'elle présente la profondeur à laquelle la surface de l'ébauche doit être cémentée, comme indiqué par les traits interrompus 30. A titre d'exemple, si la profondeur de cémentation est de 0,8 mm, le diamètre de l'ébauche doit alors avoir une longueur de 0,8 mm de plus que la dimension ter minée requise.
L'épaisseur ou la largeur de l'ébauche est également de plus grande dimension pour englo ber la profondeur de cémentation, comme indiqué par les traits interrompus 31. L'alésage 20 est réalisé à une dimension juste suffisamment moindre pour permettre un polissage,- par exemple par un meulage léger, en vue d'amener l'alésage à la dimension re quise après la trempe.
L'alésage 20 est fraisé en 32 au diamètre de la lèvre terminée 19, et jusqu'à une profondeur 33 égale à la profondeur de la cémenta tion de la surface adjacente. Ainsi, si la lèvre doit faire saillie sur une distance sensiblement égale à la profondeur à laquelle les surfaces adjacentes doivent être cémentées, puis la profondeur de la fraisure est alors réalisée d'une profondeur égale à ladite cémen tation. L'ébauche 29 usinée comme décrit ci-dessus est soumise à une cémentation.
Après cette cémenta tion de l'ébauche, toutes les surfaces exposées de cette dernière sont pourvues d'un dépôt de carbone jusqu'à la profondeur requise. L'ébauche est ensuite usinée (voir fig. 4) à la dimension correcte. Cette opération d'usinage supplémentaire élimine la tota lité de la matière de carbone sur les surfaces 35. L'élimination de la matière de ces surfaces, au voisi nage de la périphérie externe de la fraisure 32, forme la lèvre 19 présentant une surface cémentée 36. L'alésage 20 présente également une surface cémen tée 37 jusqu'à une profondeur 34.
L'ébauche peut maintenant être soumise à un procédé de trempe d'une façon connue, qui assure une trempe superficielle des surfaces cémentées 36 et 37 seulement. Les surfaces restantes de l'ébauche ne sont sensiblement pas affec tées par la trempe et restent à l'état relativement mou. L'ébauche est ensuite davantage usinée de façon à obtenir une série d'évidements 38 également espacés dans chacun desquels est reçu à friction un manchon 39 fait d'une matière conductrice non magnétique, par exemple en plomb ou en laiton.
Les évidements 38 peuvent être réalisés dans l'ébauche avant la trempe, si ceci est plus commode pour la fabrication. Un cylindre, tampon ou bouton 40, en matière susceptible d'être aimantée, telle que l'Alnico, est disposé dans chaque évidement 38 contre la paroi inférieure 41 de l'évidement et la paroi du manchon 39.
L'Alnico@, suivant le Général Electric Company Catalogue, Carboly Division , qui comporte une reproduction du manuel de construction d'aimants permanents, publié en 1949, présente les, pourcenta- ges suivants, en poids : aluminium 6-12 % ; nickel 14-25 % ;
cobalt 12,5-35 /o ; cuivre 0-6'i/0, le reste étant du fer. Le tampon est fixé en place en le pres sant à force à l'intérieur du manchon 39. La lèvre 19 est ensuite soumise à une opération de polissage de façon à obtenir une surface d'étanchéité précise. De façon analogue, l'alésage 20 peut être amené à un diamètre final.
De ce qui précède, il ressort que la bague 17 est pourvue d'une lèvre d'étanchéité qui comporte une surface trempée polie de façon à obte nir une plus longue période d'utilisation, et que la partie restante de la bague 17 est à l'état non trempé et est d'une nature plus sensible à la conductivité magnétique.
Les tampons 40 sont aimantés de façon perma nente après avoiï été introduits en place dans l'évi dement 38. Cette aimantation est établie dans les tampons 40 en Alnico avec la ligne de flux magné tique dirigée longitudinalement aux tampons 40, c'est-à-dire parallèle à l'axe de l'alésage de la bague 17, le pôle nord étant à la face d'extrémité exposée des tampons, et le pôle sud à la face interne des tampons. Le circuit de flux est fermé autour du man chon conducteur non magnétique 39 comme indiqué de façon générale par les traits interrompus 42.
La bague 18 est également confectionnée en un acier non trempé à faible teneur en carbone fraisé sur la surface d'étanchéité 21 pour former un évide ment annulaire dans lequel une bague en carbone 43 est fixée en position, par exemple, en la pressant à force à l'intérieur de l'évidement. La bague 43 est faite de façon à affleurer la surface adjacente de la bague 18 et son diamètre est tel qu'elle vient en prise de façon étanche avec la lèvre 19. Ainsi, on obtient sur chaque bague une surface d'étanchéité trempée portée par un corps en acier relativement doux.
Les surfaces trempées résistent parfaitement à l'usure et les corps plus mous fournissent une meilleure conduc tivité de force magnétique que lorsque les bagues sont faites en acier trempé.
L'attraction magnétique entre les bagues 17 et 18 sert à maintenir un contact entre elles lorsque la pression du fluide à l'intérieur du boîtier cesse.
Le boîtier 10 peut être fait de toute matière appropriée, et lorsqu'il est fait d'une matière non ferromagnétique, par exemple en aluminium, la bague 17 peut être introduite et maintenue en con tact avec les parois de la partie 13 de l'alésage. Tou tefois, au cas où le boîtier est fait d'une matière ferromagnétique, on dispose un manchon ou analo gue 44, fait d'une matière non ferromagnétique, entre les parois de la partie d'alésage 13 et l'épaulement 14 de façon à isoler magnétiquement la bague 17 du boîtier 10 de manière à combiner les lignes efficaces de flux magnétique dans les surfaces, comme décrit ci-dessus.
Les tampons en Alnico 40 sont décrits comme étant magnétiquement isolés à leur périphérie par un manchon conducteur non magnétique 39. On peut substituer au manchon 39 un revêtement ou analogue en une matière non. ferromagnétique dis posé sur les tampons 40 pour obtenir un isolement ou écran non magnétique entre les tampons 40 et le corps de la bague. Il est évident qu'on limite les for ces magnétiques de façon à empêcher leur dissipa tion dans les structures adjacentes et à préserver ainsi la vie de l'aimant.
Dans la variante de la fig. 6, 10' désigne de façon générale un boîtier présentant une paroi d'extrémité 1 l' à travers laquelle fait saillie un arbre rotatif 15'. L'arbre est tourillonné dans un palier antifriction 50, dont le chemin de roulement externe est maintenu fixe dans l'alésage 12' de la paroi d'extrémité 11', et dont le .chemin de roulement interne est fixé à l'ar bre. La partie interne de l'alésage 12' est ramenée à un plus petit diamètre en 51. Une bague d'étanchéité 17' présentant une face d'étanchéité 19' est disposée dans la partie d'alésage 51 et est maintenue fixe con tre les parois de ce dernier.
L'alésage 20' de la bague 17' présente un diamètre plus, grand que l'arbre 15' de façon. à laisser un jeu entre eux, comme repré senté. La bague 17' est faite d'une matière telle que l'Alnico@, susceptible d'être aimantée de façon perma nente. Cette aimantation est établie dans, la bague 17' avec la ligne de flux magnétique dirigée axiale- ment par rapport à la bague, c'est-à-dire parallèle ment à l'axe de l'alésage 20' de la bague, le pôle nord se trouvant à l'extrémité de la surface d'étan chéité de la bague et le pôle sud à l'autre extrémité de la bague.
Le circuit de flux est fermé par un man chon non ferromagnétique 52 disposé entre la bague 17' et l'alésage 51. La surface d'un tel aimant est très dure. La bague 18' est analogue à la bague 18, excepté que la pièce rapportée annulaire en carbone 43 présente une lèvre 43' faisant saillie à partir de cette dernière pour venir en prise avec la surface dure de l'aimant.
Dans certains cas, il règne des températures éle vées, susceptibles de provoquer le recuit du ressort ou de vulcaniser ou rendre inefficace une matière élastique molle telle que représentée ici et indiquée en tant que bague torique. Dans de tels cas., on a recours à un joint entièrement métallique tel qu'un joint à soufflet ou à bague de piston, et l'on prévoit un dispositif pour empêcher une rotation relative d'un tel joint.
En se référant aux fig. 8 à 11, 110 désigne un arbre non magnétique qui s'étend à partir d'un boî tier 111 et tourne par rapport à celui-ci. On désire que l'arbre soit étanche par rapport au boîtier de façon à empêcher une fuite d'un fluide, tel que de l'huile, qui peut se trouver dans la chambre 112 à l'intérieur du boîtier et qui peut être soumis à une certaine pression.
Un aimant 114 présentant des surfaces polies 115 et 116 est monté sur l'arbre 110 au moyen de manchons non magnétiques 117 et 118 qui sont polis à leurs extrémités 119 et 120. Il est nécessaire de fabriquer un élément qui doit présenter une surface polie séparée de l'arbre qui le porte et de le monter sur l'arbre au moyen de manchons.
On prévoit une butée appropriée contre laquelle le manchon 117 vient en prise pour empêcher un mouvement vers la gauche des figures, on place ensuite l'anneau magné tique 114 sur l'arbre, puis on place le second man chon 118 sur l'arbre, et l'on serre un écrou 121 sur des filets 122 contre l'extrémité du manchon 118, en le poussant vers la gauche et fixant fermement l'an neau poli 114 en position entre les extrémités polies des manchons<B>117</B> et 118 qui viennent en prise avec les surfaces polies 115 et<B>116</B> de l'anneau magnéti que 114. Un contre-écrou 123 sert à maintenir l'écrou serré 121 en position.
La face<B>115</B> de l'an neau magnétique 114 sert à présenter une face d'étanchéité qui tourne avec l'arbre 110, bien qu'elle soit empêchée de se mouvoir axialement le long de l'arbre.
Un rebord 124 est fixé dans un évidement 125 du boîtier 111, en relation d'étanchéité avec le boî tier, au moyen de vis à tête 126, une garniture métal lique 127 étant disposée sous le rebord et le fond de l'évidement. Ce rebord est étagé pour fournir une partie plus épaisse, ou moyeu 128 sur lequel est monté un manchon 129 qui s'adapte étroitement à l'intérieur de l'ouverture 130 formée dans le boîtier et est empêché de tourner entre le boîtier et le rebord à cet emplacement.
L'élément étanche<B>131</B> associé est représenté sous forme d'un anneau dans lequel est disposée une bague trempée 132. Cette bague trempée fait saillie au-delà de la face 133 de l'élément porteur 131, en carbone par exemple. Sa surface 134 présente la sur face d'étanchéité. de l'élément 131 à la surface d'étan chéité<B>115</B> de l'anneau magnétique 114. L'élément porteur<B>131</B> est en une matière qui est attirée par l'aimant 114 de telle sorte que les surfaces 115 et 134 viennent en prise.
Le manchon<B>131</B> est muni d'évidements 135, et des saillies 136 formées sur le manchon 129 s'étendent dans ces évidements (voir fig. 10) de façon à empêcher une rotation relative de l'élément 131 et du manchon 129. Un soufflet 137 est soudé à l'extrémité en saillie 138 de l'élé ment d'étanchéité 131 et est également soudé à une extrémité en saillie 139 du rebord 124 qui forme un joint étanche entre le rebord et l'élément d'étanchéité 131, tout en permettant un mouvement axial relatif de l'élément<B>131</B> et du rebord.
Dans certains cas, le manchon 140 (fig. 9) est bloqué dans un évidement 141 formé dans le boîtier 111 et vient buter contre un épaulement 142, tandis qu'on forme un joint étanche 140' au moyen d'une bague torique métallique de construction connue. Le verrouillage s'effectue par des évidements radiaux 143 formés dans les éléments d'étanchéité 131 et des saillies 144 formées sur le manchon. La bague tori- que 140' remplace la garniture métallique 127 de la fig. 8.
L'arbre 110 et les manchons 117 et 118 sont en une matière non magnétique, par exemple en acier inoxydable connu dans le commerce comme alliage de la série 300.
En fonctionnement avec un fluide sous pression dans la chambre 112, il se produit une pression de fluide sur la face 133, à l'extérieur de la face 134 de la pièce rapportée, agissant dans un sens de façon à écarter l'élément 131 de sa prise d'étanchéité, tandis qu'il existe une pression de ce même fluide sur la face 145, extérieurement au prolongement 138 à par tir de l'élément 131 le long duquel le soufflet est rendu étanche, tendant à refouler l'élément<B>131</B> dans un sens permettant aux faces d'étanchéité de venir en prise,
et attendu que la surface de contact de cette dernière est supérieure à celle de la première, la pression tend à aider l'aimant à maintenir les faces en prise d'étanchéité. Le degré de pression peut être calculé en tant que pression entre la surface formée par le rayon A et la surface formée par le rayon B. Cette surface est réglée de façon que la pression dési rée puisse être obtenue sur la base de la pression connue régnant- dans la chambre 112.
Ainsi, la sur face qui est ménagée entre ces deux rayons, multi- pliée par la pression exercée, constitue la pression qui s'exerce dans un sens pour aider la force magné tique tendant à déplacer les faces d'étanchéité afin de les amener en prise les unes avec les autres.
La fig. 12 représente une variante où sont em ployés des segments de piston au lieu d'un soufflet. L'arbre étagé 150 est muni d'un élément d'étanchéité consistant en un anneau magnétique 151. L'autre côté du joint d'étanchéité comprend un manchon 152 dans lequel est disposée une bague 153 en car bone présentant une lèvre d'étanchéité 154 destinée à venir en prise avec la face 155 de l'élément magné tique 151. Le manchon 152 présente un diamètre plus petit que celui du boîtier 156 dans lequel il est fixé, et il est d'une dimension plus grande que le diamètre de l'arbre 150 qu'il entoure.
Il est évidé en 157 entre ses extrémités, et dans cet évidement on dispose une série de segments de piston 158 qui ser vent à empêcher le liquide de se déplacer le long de la surface externe de l'élément 152 et entre cet élé ment et son bo?tier 156. Ces segments de piston sont en métal et résistent à la chaleur.
Les segments de piston permettent un certain mouvement axial de l'élément 152 en direction de la surface d'étanchéité 155 de l'aimant et permettent un certain mouvement oscillant du manchon 152 et de la bague 153, de sorte que la surface d'étanchéité de la bague 153 montée dans cet élément est mieux alignée sur la face d'étanchéité de l'aimant. Cet élément est empêché de tourner p'ar rapport à son boîtier 156.
En se référant aux fig. 13 et 14 du dessin, 210 désigne un boîtier à travers lequel s'étend un arbre 211 qui est étagé à partir du plus grand diamètre 212 jusqu'à un diamètre intermédiaire 213 et un plus petit diamètre 214, en fournissant des épaulements entre ces différents diamètres.
Un boîtier de cartouche 216 de forme cylindrique s'adapte étroitement dans l'alésage 217 du boîtier 210, une ailette radiale 218 venant en prise avec un épaulement 219 de ce, boîtier. Ce boîtier de car touche contient toutes les pièces du présent joint étanche, qui sont préalablement montées en un ensemble pour être introduites dans le boîtier et sur la partie 213 de l'arbre.
Une enveloppe tubulaire 220 est située à l'inté rieur du boîtier de cartouche 216 et fait saillie axia- lement au-delà des extrémités du boîtier 216. Sa dimension est telle, le long de sa surface interne 221, qu'elle s'adapte étroitement sur la partie 213 de l'arbre 211, et elle est rendue étanche à l'encontre du mouvement de la pression de fluide le long de cet arbre par une bague torique élastique 222 située dans un évidement 223 s'étendant radialement vers l'extérieur à partir de la surface interne 221 de cette enveloppe.
Cette dernière est également munie d'un épaulement radial 224, s'étendant vers l'extérieur et de façon sensiblement axiale. Un rebord 225 de l'ex trémité du boîtier de cartouche s'étend vers l'intérieur au-delà de cet épaulement de façon à l'empêcher d'être déplacé vers la gauche hors du boîtier de car touche. Un aimant de forme annulaire 226 est fixé au boîtier de cartouche au moyen d'un évidement 227 formé dans sa surface externe et une bague torique élastique 228 est située dans cet évidement et en con tact étroit avec la surface interne du boîtier de car touche. Ceci ferme hermétiquement l'aimant par rap port au boîtier à l'encontre du passage de fluide entre la cartouche et le boîtier.
Une bague fendue 229 vient en prise avec la surface de droite de l'aimant, en observant la fig. 13, pour empêcher un mouve ment axial de l'aimant dans ce sens. La bague tori- que permet également un léger mouvement axial de l'aimant, ainsi qu'un léger pivotement, de sorte qu'une surface d'étanchéité annulaire 230 de ce der nier peut s'aligner correctement d'elle-même pour fournir le joint étanche désiré. Il existe un léger jeu entre l'aimant et l'enveloppe qu'il entoure, permet tant ce mouvement oscillant.
Un manchon 231 entoure l'enveloppe 220 et est espacé de cette dernière en vue d'osciller, et il est situé, comme l'aimant, entre le boîtier de cartouche et l'enveloppe et est susceptible de coulisser axiale- ment dans cette position. Ce manchon s'étend le long de l'épaulement 224 sur une distance importante, où il est évidé en 232 pour recevoir la bague torique 233 qui permet un certain, mouvement axial mais empêche le passage de fluide sous pression le long de la surface de l'épaulement entre lui et la surface interne du manchon 231.
La bague torique 233 est maintenue en position par une bague fendue 234 venant en prise avec un évidement formé dans le manchon 231. L'autre extrémité de ce manchon est munie d'une face d'étanchéité 235 qui, dans ce cas, est fournie par une bague en carbone rapportée 236 présentant une face polie 235. Le montage de la bague torique du manchon permet également un léger réglage de pivotement, de sorte que les faces d'étanchéité 230 et 235 peuvent s'aligner correcte ment pour fournir un bon joint étanche entre elles.
Le diamètre externe de cette face d'étanchéité est désigné en A sur la fig. 13 et est presque égal au diamètre B de l'épaulement, de sorte que le manchon est sensiblement équilibré par rapport à la pression de fluide existant en 237 autour du boîtier de car touche le sollicitant axialement. Toutefois, le dia mètre A est plus petit que le diamètre B, de sorte que la pression de fluide a tendance à écarter le manchon de la prise d'étanchéité entre. les faces ou vers la gauche en observant la fig. 13.
La puissance de l'aimant 226 agissant sur le manchon 231 est telle qu'elle surmonte cette légère pression telle qu'elle existe sous une pression normale engendrée dans le boîtier, mais lorsqu'il existe certaines conditions de pression anormale en raison d'un surchauffage, cette augmentation de pression est alors telle que la pres sion refoule le manchon vers la gauche, en séparant les faces d'étanchéité et en permettant au fluide de s'échapper avant que la pression ne s'élève jusqu'à un point où elle brise l'une ou l'autre des parties du dispositif.
La bague fendue 234 maintenant en place la bague torique 233, peut être remplacée par un rebord 240, comme représenté à la fig. 14.
Un boîtier de cartouche magnétique, et l'aimant 226 peuvent être montés dans un chapeau non magnétique 241, une bague torique 242 étant dispo sée entre ce chapeau non magnétique 241 et le boî tier 216. Ceci permet encore à l'aimant 226' et au chapeau 241 d'osciller en tant qu'ensemble en vue de l'alignement de la face d'étanchéité.