CH641258A5 - Joint d'etancheite mecanique. - Google Patents

Description

L'invention se rapporte à un joint d'étanchéité mécanique.

Une forme de joint mécanique à surface d'étanchéité, assurant l'étanchéité entre deux organes de machine rotatifs l'un par rapport à l'autre, est constituée par un premier élément de joint fixé de façon étanche au fluide à l'un desdits composants et par un second élément de joint présentant une face d'étanchéité qui est poussée à l'encontre d'une face d'étanchéité opposée du premier élément de joint, le second élément de joint étant fixé à l'autre organe par l'intermédiaire d'un soufflet flexible élastique. Dans cette forme de joint, le soufflet sert à assurer l'étanchéité entre le second élément de joint et le composant qui lui est associé, ainsi qu'à appliquer la charge axiale requise pour pousser le second élément de joint et obtenir un contact 5 étanche avec le premier élément de joint.

Durant le fonctionnement, le soufflet est soumis à une différence de pression à travers ses parois, si bien que cette unité doit non seulement être capable d'appliquer la charge appropriée sur les éléments de joint à face d'étanchéité, mais également être en mesure de résis-io ter aux différences de pression auxquelles elle est soumise. En outre, du fait de l'usure des éléments de joint, le soufflet doit être capable de s'allonger et de fournir une force entre certaines limites pendant toute la durée de service du joint.

L'unité à soufflet devra donc être réalisée en un matériau d'une 15 résistance et d'une épaisseur suffisantes pour résister à la différence de pression, tout en étant suffisamment flexible pour permettre le déplacement axial requis, consécutif à l'usure, et tout en conservant la poussée axiale requise.

Une méthode permettant d'obtenir ce résultat consiste à fabri-20 quer un soufflet en soudant ensemble une pluralité de disques annulaires, des paires alternées de disques étant soudées à leurs diamètres intérieurs et extérieurs, en vue de former une série d'enroulements. La production de cette forme de soufflets représente toutefois une opération longue et coûteuse. En outre, le diamètre d'équilibre hy-25 draulique du soufflet soudé varie avec la différence de pression à travers ses parois, et la conception globale de l'ensemble soufflet/élément de joint à face d'étanchéité doit se conformer à cette variation, afin de fournir un joint qui fonctionne de façon satisfaisante à toutes les différences de pression auxquelles il est soumis. 30 Une méthode plus économique de production de soufflets consiste à mettre en forme des enroulements dans un tube à paroi mince. Les soufflets de ce type, ci-après désignés sous le nom de soufflets façonnés, présentent l'avantage que le diamètre d'équilibre hydraulique est sensiblement constant, si bien que les limitations de 35 conception pour l'ensemble soufflet/élément de joint à face d'étanchéité ne sont pas aussi importantes que pour les soufflets soudés.

Malheureusement, lorsqu'on a affaire à des soufflets façonnés, les impératifs de flexibilité et d'élasticité consécutive à la pression sont contradictoires. Il n'a donc pas été possible de fournir un souf-40 flet façonné ayant une capacité de pression raisonnablement élevée et qui soit suffisamment flexible pour obtenir la charge requise sur la face d'étanchéité, sans être d'une longueur inadmissible.

Conformément à la présente invention, le joint d'étanchéité mécanique, destiné à assurer l'étanchéité entre deux organes de 45 machine, rotatifs l'un par rapport à l'autre et qui sont soumis durant l'emploi à une différence de pression, comprend un premier élément de joint fixé de façon étanche au fluide à l'un des organes et présentant une face d'étanchéité, un second élément de joint présentant une face d'étanchéité du premier élément de joint, le second élément de 50 joint étant fixé à l'autre organe par l'intermédiaire d'un soufflet flexible et élastique servant à assurer l'étanchéité entre le second élément de joint et l'autre organe, le soufflet comportant une pluralité d'enroulements, les renflements de ces enroulements qui sont dirigés vers le côté à haute pression du joint présentant un plus grand rayon de 55 courbure que les renflements des enroulements dirigés vers le côté à basse pression du joint.

Le soufflet peut être réalisé en un matériau plus mince qu'un soufflet façonné de configuration symétrique classique et résistera à la même différence de pression. En conséquence, pour une différence 60 de pression donnée, il est possible, grâce à l'invention, de produire un soufflet d'une plus grande souplesse, de sorte qu'on peut réaliser un soufflet façonné, de dimensions, de capacité de pression et de flexibilité acceptables pour un joint d'étanchéité mécanique. Inversement, le soufflet de joint selon l'invention, de souplesse similaire à 65 celle d'un soufflet conformé de façon symétrique classique, possédera une plus grande capacité de pression.

Des améliorations importantes de la flexibilité ou de la capacité de pression des soufflets construits conformément à l'invention

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peuvent être obtenues en utilisant des rapports entre les rayons des renflements des enroulements dirigés vers le côté à haute pression du soufflet et les rayons des renflements dirigés vers le côté à basse pression du soufflet égaux ou supérieurs à 3:2. II est toutefois préféré d'utiliser des rapports de 2:1 à 6:1.

L'invention sera maintenant décrite uniquement à titre d'exemple en référance au dessin annexé, dont la figure unique représente, schématiquement, une vue en coupe d'un joint mécanique d'étanchéité, réalisé conformément à l'invention.

Comme représenté au dessin, un joint mécanique à face d'étanchéité, disposé entre un arbre en rotation 10 et un bâti 11, par exemple dans l'assemblage d'une pompe, comprend un premier élément annulaire d'étanchéité ou siège 12 qui est maintenu dans un logement prévu dans le bâti 11, et dont l'étanchéité dans ce logement est assurée au moyen d'un joint torique en élastomère 13.

La face d'étanchéité 14 d'un élément de joint annulaire 15 à face d'étanchéité est maintenue en contact étanche avec le siège 12 au moyen d'un soufflet métallique 16 fixé à un collier 17 monté sur l'arbre 10 par l'intermédiaire d'une série de vis sans tête 23 ou d'autres moyens de fixation appropriés prévus à des intervalles déterminés sur la périphérie, l'étanchéité de ce collier sur l'arbre étant assurée par un joint torique 18. L'élément de joint 15 est ajusté par pression dans l'extrémité du soufflet 16, un joint torique en élastomère 20, logé dans l'enroulement d'extrémité dudit soufflet 16 et prenant appui contre l'élément de joint 15, permettant d'obtenir entre eux une étanchéité au fluide. L'autre extrémité 19 du soufflet est soudée au collier 17, mais peut y être fixée par tout autre moyen formant un joint étanche au fluide, par exemple par emboutissage ou par brasage.

Le soufflet métallique 16 présente une série de plissements, le rayon des renflements 21 de ces plissements dirigés vers l'extérieur de l'arbre 10 étant supérieur au rayon des renflements 22 desdits plissements s'étendant en direction de l'arbre 10, dans un rapport égal à 4:1.

Le joint ci-dessus décrit est monté de telle façon que le soufflet 16 soit sollicité à la compression et précharge l'élément de joint 15 contre le siège 12, afin que la face d'étanchéité 14 de l'élément 15 soit maintenue en contact étanche avec le siège 12.

Lors du fonctionnement, le joint est soumis à une différence de pression sur ses faces, une zone P de pression plus élevée régnant à l'extérieur du soufflet 16, comparativement à l'intérieur de ce soufflet.

Cette différence de pression engendre une force d'extension axiale, proportionnelle à la différence de pression. Cette force axiale renforce la force initiale appliquée à l'élément de joint 15 par le soufflet 16 comprimé axialement. Du fait de cette force supplémentaire appliquée lors du fonctionnement, la charge appliquée entre le siège 12 et l'élément de joint 15, dans une gamme étendue de divers états de fonctionnement, n'est que tout juste supérieure à celle requise pour créer une étanchéité efficace dans les conditions qui prédominent. Cela permet de minimiser l'usure de l'élément de joint 15.

Ce mode de fonctionnement n'est pas nouveau en soi. La présente invention réside dans une nouvelle configuration du soufflet 16 qui permet un meilleur contrôle des caractéristiques de ce soufflet. Par exemple, afin que ce soufflet soit en mesure de résister à la différence de pression à laquelle il est soumis, il doit être fabriqué en un matériau d'une résistance et d'une épaisseur suffisantes pour résister à la pression, sans subir de déformation. La configuration revendiquée ici permet une fabrication du soufflet en un matériau à calibrage plus léger que celui qui serait nécessaire pour un soufflet de construction symétrique conventionnelle, capable de résister à la même différence de pression. L'emploi d'un matériau à calibrage plus léger permet d'obtenir un soufflet d'une plus grande flexibilité axiale, de sorte qu'en utilisant un soufflet du joint selon l'invention, ledit soufflet peut initialement être comprimé dans une plus large mesure et fournir ainsi, durant toute sa durée de service, une précharge plus uniforme sur la face d'étanchéité 15.

L'exemple suivant illustre l'amélioration des qualités du soufflet qu'il est possible d'obtenir grâce à l'invention.

Exemple:

Trois soufflets A, B et C sont façonnés en un même matériau et présentent chacun un diamètre extérieur de 66,58 mm, un diamètre intérieur de 53,42 mm, avec une épaisseur de paroi de 0,18 mm. Ces trois soufflets sont formés avec des enroulements à rayon simple, les parois de ces enroulements étant sensiblement transversales par rapport à l'axe de l'unité, comme représenté au dessin.

Le soufflet A est de configuration symétrique classique, les rayons des renflements intérieurs et extérieurs des enroulements étant égaux, et le pas des enroulements étant de 7,21 mm. Les soufflets B et C sont formés conformément à l'invention, le rayon des renflements extérieurs des enroulements étant égal à deux fois celui des renflements intérieurs, le pas des enroulements étant de 5,67 mm pour l'unité B et de 7,1 mm pour l'unité C.

Lorsque ces soufflets sont soumis à une précompression, avec un déplacement axial contrôlé, afin d'obtenir une force axiale initiale de 300 N:

— les soufflets A et B présentent des capacités de pression similaires, B présentant toutefois une amélioration de flexibilité de 45% par rapport à A, et

— les soufflets A et C présentent des flexibilités similaires, C présentant toutefois, par rapport à A, une amélioration de 31% en ce qui concerne la capacité de pression.

Comme l'illustre l'exemple précité, les soufflets utilisés selon l'invention peuvent présenter:

— une flexibilité améliorée, auquel cas le soufflet peut être raccourci ou utilisé pour fournir un joint ayant une plus grande marge d'usure, ou

— une capacité de pression améliorée, comparativement aux soufflets classiques similaires de configuration symétrique.

Les soufflets utilisés dans l'invention peuvent aussi être construits en vue d'améliorer à la fois la flexibilité et la capacité de pression, en optimisant ces améliorations en fonction des exigences particulières requises pour le joint mécanique à surface d'étanchéité.

Dans le cas où le joint sera soumis à une pression élevée à l'intérieur du soufflet, les rayons de renflements d'enroulements seront inversés.

Comme expliqué précédemment, le diamètre d'équilibre hydraulique des soufflets façonnés conformément à l'invention est sensiblement constant; tandis que l'élément de joint associé au soufflet doit être conçu de manière à obtenir un joint équilibré, aucune exigence n'est formulée pour la conception relativement complexe des agencements de la bague d'arrêt, nécessaires pour compenser la variation du diamètre d'équilibre hydraulique et rencontrés dans les joints soudés. L'élément de joint 15 peut donc être à assemblage pressé dans l'extrémité du soufflet 16, comme précédemment décrit. Bien que, dans la description qui précède, un joint torique soit utilisé pour assurer l'étanchéité entre le soufflet et l'élément de joint, on peut s'en dispenser lorsque l'ajustement entre l'élément de joint et le soufflet est suffisamment bon pour obtenir un joint étanche au fluide: toutefois, afin de se conformer aux tolérances de fabrication, on peut appliquer entre eux une couche d'un agent d'étanchéité approprié. L'extrémité du soufflet peut aussi être rendue conique extérieurement, la surface extérieure de l'élément de joint étant rendue conique de façon correspondante.

Lorsqu'on utilise ces formes de joint à ajustement pressé, il est nécessaire d'avoir certains moyens à disposition axiale de l'élément de joint vis-à-vis du soufflet. Cela peut être réalisé en appliquant l'élément de joint contre la paroi du premier enroulement du soufflet, comme représenté au dessin annexé. Toutefois, dans cet agencement, l'élément de joint réduit la flexion du premier enroulement du soufflet, réduisant ainsi la flexibilité globale de ce soufflet. Il sera donc préférable de séparer l'élément de joint de la paroi du premier enroulement, un appui pouvant être prévu à cet effet sur la partie d'extrémité du soufflet.

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Bien que les joints à ajustement pressé précédemment décrits conviennent particulièrement pour des éléments de joint 15 fabriqués en des matériaux fragiles tels que le carbone, l'élément de joint 15 en carbone peut être également retenu dans une bague métallique à laquelle le soufflet peut être relié par emboutissage, brasage ou soudage. L'emboutissage peut être également utilisé pour relier le soufflet directement à l'élément de joint lorsque cet élément de joint est fabriqué en un matériau dur, tel qu'un carbure ou un nitrure métallique fritté.

L'expression soufflet façonné (ou mis en forme) utilisée ici concerne tout soufflet de construction monobloc, tel que des soufflets qui sont avantageusement profilés.à partir d'un élément tubulaire métallique non usiné, par une opération de formage, par exemple de laminage ou de soufflage. Le soufflet peut toutefois être fabriqué à partir d'autres matériaux élastiques flexibles, par exemple de matières plastiques rigides telles que des polytétrafluoroéthylènes. Ces

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soufflets peuvent être fabriqués suivant des procédés similaires à ceux utilisés pour l'exécution de soufflets, ou suivant d'autres procédés appropriés, par exemple par usinage ou, le cas échéant, par moulage direct.

5 En outre, le soufflet peut être d'une construction du type à couches multiples et, dans le cas, par exemple, où il sera nécessaire d'éviter toute corrosion de ce soufflet, au moins une surface du soufflet métallique sera recouverte d'un matériau non métallique.

io Dans la forme d'exécution ci-dessus décrite, les parois des enroulements du soufflet sont parallèles; des variantes dans les caractéristiques du soufflet peuvent toutefois être apportées en modifiant la configuration des parois entre les renflements des enroulements, les parois pouvant, par exemple, être incurvées de façon continue entre

15 lesdits renflements des enroulements, afin d'obtenir une configuration rentrante.

1 feuille dessin

Claims (13)

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1. Joint d'étanchéité mécanique, assurant l'étanchéité entre deux organes de machine, rotatifs l'un par rapport à l'autre et qui sont soumis durant l'emploi à une différence de pression, caractérisé en ce qu'il comprend un premier élément de joint (2) fixé de façon étanche au fluide à l'un (11) des organes et présentant une face d'étanchéité, un second élément de joint (15) présentant une face d'étanchéité (14) qui est poussée à rencontre de la face d'étanchéité du premier élément de joint (12), le second élément de joint (15) étant fixé à l'autre organe (10) par l'intermédiaire d'un soufflet (16) flexible et élastique servant à assurer l'étanchéité entre le second élément de joint (15) et l'autre organe (10), le soufflet (16) comportant une pluralité d'enroulements, les renflements (21) de ces enroulements qui sont dirigés vers le côté à haute pression (P) du joint présentant un plus grand rayon de courbure que les renflements (22) des enroulements dirigés vers le côté à basse pression du joint.

2. Joint d'étanchéité mécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport entre le rayon des renflements (21) des enroulements dirigés vers le côté à haute pression du soufflet (16) et le rayon des renflements (22) dirigés vers le côté à basse pression du soufflet (16) est au moins égal à 3:2.

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REVENDICATIONS

3. Joint d'étanchéité mécanique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport est de 2:1 à 6:1.

4. Joint d'étanchéité mécanique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les parois des enroulements du soufflet sont parallèles lorsque le soufflet est au repos.

5. Joint d'étanchéité mécanique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les parois des enroulements du soufflet (16) sont incurvées lorsqu'il est au repos.

6. Joint d'étanchéité mécanique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le soufflet (16) est en métal.

7. Joint d'étanchéité mécanique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le soufflet est en matière plastique rigide.

8. Joint d'étanchéité mécanique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le soufflet (16) est d'une construction à couches multiples.

9. Joint d'étanchéité mécanique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le second élément de joint (15) est à ajustement pressé, enfoncé dans l'extrémité du soufflet (16).

• 10. Joint d'étanchéité mécanique selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'un appui prévu à l'extrémité du soufflet (16) est à distance des enroulements du soufflet, et agit de manière à loger le second élément de joint (15) à l'intérieur de l'extrémité du soufflet.

11. Joint d'étanchéité mécanique selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le second élément de joint (15) est logé dans une bague d'arrêt qui est fixée au soufflet (16) de manière étanche au fluide.

12. Joint d'étanchéité mécanique selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'extrémité du soufflet (16) est emboutie, brasée ou soudée à la bague d'arrêt.

13. Joint d'étanchéité mécanique selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le second élément de joint (15) est fabriqué en un matériau dur, et en ce que l'extrémité du soufflet (16) est emboutie directement sur l'élément de joint à face d'étanchéité.