FR2605702A1 - Joint d'etancheite annulaire coulissant - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN JOINT D'ETANCHEITE ANNULAIRE COULISSANT POUR ETANCHEIFIER UNE PARTIE DE MACHINE ROTATIVE PAR RAPPORT A UNE PAROI. LE JOINT D'ETANCHEITE COMPREND DES BAGUES DE SIEGE 4 MUNIES DE BAGUES COULISSANTES 5, LES BAGUES DE SIEGE ETANT DISPOSEES LES UNES PAR RAPPORT AUX AUTRES DE TELLE SORTE QUE LES FACES DE GLISSEMENT D'ETANCHEITE DES BAGUES COULISSANTES 5 SONT PRESSEES LES UNES CONTRE LES AUTRES ET TOURNENT LES UNES PAR RAPPORT AUX AUTRES. CHAQUE BAGUE COULISSANTE 5 EST FIXEE SUR SA BAGUE DE SIEGE 4 PAR AJUSTEMENT FRETTE, D'UNE MANIERE TELLE QUE LA BAGUE COULISSANTE EST EXPOSEE A UNE FORCE DE PRESSION AGISSANT RADIALEMENT. AFIN DE MUNIR LA FACE DE GLISSEMENT D'UNE FORME ONDULEE DANS LE SENS PERIPHERIQUE, UNE CONTRE-SURFACE AXIALE DE LA BAGUE DE SIEGE 4, QUI DANS L'AJUSTEMENT FRETTE EST EN CONTACT AVEC UNE SURFACE PERIPHERIQUE AXIALE DE LA BAGUE COULISSANTE 5, EST UNE SURFACE AXIALEMENT DISCONTINUE 7.
Description
2605702'
I Joint d'étanchéité annulaire coulissant La présente invention concerne un joint d'étanchéité annulaire coulissant, pour étanchéifier une partie de machine rotative par rapport à une paroi, comprenant des bagues de siège munies de bagues coulissantes et disposées les unes par rapport aux autres de telle sorte que les faces de glissement d'étanchéité des bagues coulissantes sont pressées Jes unes contre les autres et tournent les unes par rapport aux autres, chaque bague coulissante étant fixée sur sa bague de siège par ajustement fretté, d'une manière telle qu'une force de pression agissant radialement est exercée sur la
bague coulissante.
Ces types de joints d'étanchéité sont bien connus dans divers domaines techniques. Les joints d'étanchéité annulaires coulissants conviennent particulièrement bien pour une utilisation dans des pompes destinées à pomper des liquides contenant des substances solides et des impuretés, dans
des industries de traitement par exemple.
Les bagues coulissantes des joints d'étanchéité coulissants sont aujourd'hui habituellement réalisées en matériaux céramiques. Le carbure de silicium s'est avéré constituer un matériau excellent, car il présente des bonnes propriétés de glissement et une conductivité thermique élevée; en outre, c'est un matériau très dur. Les bagues de siège sont généralement fabriquées par exemple en acier résistant aux acides. Il est toutefois clair
que les matériaux sont choisis séparément pour chaque application considérée.
Dans des solutions antérieures, les bagues coulissantes ont été fixées sur leurs bagues de siège par ajustement fretté, d'une manière telle que la bague de siège est initialement chauffée de façon qu'elle se dilate d'un montant permettant de monter la bague coulissante dans un évidement formé dans la bague de siège. Lorsque la bague de siège refroidit, la bague coulissante est serrée et ainsi fixée en place. Un inconvénient de ce mode de fixation est que des contraintes et des distorsions apparaissent dans la bague coulissante, qui peuvent perturber le fonctionnement du joint d'étanchéité. Cet inconvénient devient particulièrement sensible en présence de bagues coulissantes fabriquées en carbure de silicium, car le coefficient de dilatation
thermique du carbure de silicium est faible par rapport à celui de l'acier.
Les inconvénients précités proviennent du fait que dans les ajustements frettés antérieurs, la bague coulissante est exposée à une force de pression radiale provenant de la totalité de sa périphérie, force qui déforme la face de glissement pour lui donner une forme conique vers l'extérieur ou vers l'intérieur. Mais une telle face de glissement conique ne fonctionne pas de manière optimale, car le contact entre les faces de glissement est alors réduit à un contact purement linéaire, qui à son tour engendre l'exposition de la bague coulissante à des contraintes thermiques et des états de contrainte importants. La face de glissement conique a été antérieurement compensée en rectifiant la face pour lui donner une forme plane. Toutefois, la distorsion ne peut pas être totalement compensée par rectification, car la température effective de fonctionnement du joint d'étanchéité est souvent supérieure à la température de rectification, de sorte que la bague de siège est à nouveau dilatée à un degré plus important que la bague coulissante. La face de glissement est de la sorte déformée en une forme de coupelle, et n'est en
contact avec la contre-surface que sur sa périphérie extérieure.
Des tentatives ont également été entreprises pour empêcher la distorsion de la face de glissement à l'aide d'un choix adéquat de matériaux ainsi qu'à l'aide de diverses configurations de joints. Un exemple de telles configurations de joints est par exemple fourni par les solutions divulguées dans la demande de brevet finlandais N 850.190 et dans le brevet américains
N 4.261.581.
En outre, on a constaté que des faces de glissement entièrement planes ne sont pas optimales à des vitesses de rotation élevées ou encore à des pressions élevées, en particulier lorsque les faces de glissement frottant les unes contre les autres engendrent une chaleur de friction intense. Pour réduire ce frottement, des solutions ont été suggérées, à l'aide desquelles un lubrifiant peut être introduit entre les faces de glissement. De telles solutions comprennent entre autres la structure décrite dans le brevet allemand N 1.221.865, selon laquelle des rainures de lubrification ont été formées sur la face de glissement. De telles rainures de lubrification engendrent l'introduction intermittente de lubrifiant entre les.faces de glissement, qui à la fois diminue la surface abrasive et évacue la chaleur de friction. Une tentative similaire a été effectuée en usinant la face de glissement de la bague coulissante pour lui donner une forme ondulée, de sorte qu'une quantité supérieure de lubrifiant pénètre entre les faces de glissement. Un inconvénient des solutions antérieures précitées est qu'elles sont d'une réalisation difficile, ce qui augmente les coûts de fabrication. Les rainures de lubrification présentent en outre le problème que les impuretés du
lubrifiant peuvent facilement user les faces de glissement.
- La présente invention a pour but de fournir un joint d'étanchéité annulaire coulissant qui peut être munie d'une manière simple d'une forme ondulée avantageuse en matière de lubrification. Ce but est atteint au moyen d'un joint d'étanchéité annulaire coulissant selon l'invention, qui est caractérisé en ce qu'une contre-surface axiale de la bague de siège, qui dans l'ajustement fretté est en contact avec une surface périphérique axiale de la
bague coulissante, est une surface axialement discontinue.
Un avantage de la présente invention est qu'elle est simple, car les différences de hauteur périphérique de la face de glisssement requises pour une lubrification hydrodynamique sont obtenues automatiquement, sans nécessiter aucun usinage séparé de la surface. En conséquence, les coûts de fabrication sont avantageux. Grâce à la simplicité de la réalisation, les coûts
d'exploitation sont eux-aussi avantageusement bas.
Selon une caractéristique supplémentaire, la contre-surface axiale de la bague de siège est munie d'au moins trois points de discontinuité positionnés à intervalles réguliers dans le sens périphérique. Selon une configuration avantageuse, les points de discontinuité sont des ouvertures traversant la paroi de la bague de siège; selon une autre configuration avantageuse, les points de discontinuité sont des évidements formés dans la contre-surface axiale de la bague de siège. Selon une caractéristique supplémentaire, la longueur du point de discontinuité dans le sens périphérique est au plus égale à la partie de la contre-surface de la bague de siège qui est positionnée entre deux points de discontinuité voisins. Enfin, un joint d'étanchéité élastique peut être monté entre la contre-surface axiale de la bague de siège et la
surface périphérique axiale de la bague coulissante.
L'invention va maintenant être décrite plus en détails à l'aide de modes de réalisation préférentiels représentés sur le dessin annexé, dans lequel Figure 1 est une vue générale d'un exemple d'une structure connue de joint d'étanchéité annulaire coulissant; Figure 2 est une vue générale d'un exemple d'une autre structure connue de joint d'étanchéité annulaire coulissant; Figure 3 est une vue agrandie d'un mode de fixation de bague coulissante utilisé conjointement avec les structures connues des figures I et 2; Figure 4 est une vue de devant d'un mode de fixation de bague coulissante selon la présente invention Figure 5 est une vue en coupe selon la ligne V-V de la figure 4 Figure 6 représente un autre mode de réalisation de la solution des figures 4 et 5; Figure 7 est une vue de devant d'un autre mode de réalisation de la structure selon l'invention; et
Figure 8 est une vue en coupe selon la ligne VIII-VIII de la figure 7.
Les figures 1 et 2 représentent globalement deux structures antérieures de joint d'étanchéité annulaire coulissant. Aux figures 1 et 2, les pièces correspondantes sont désignées par les mêmes références numériques. La partie de corps de la structure de joint d'étanchéité est ainsi globalement désignée par la référence numérique 1. Une partie de machine rotative telle qu'un arbre de pompe est désignée par la référence numérique 2. Le produit à pomper est lui-même désigné par la référence numérique 3. Les bagues de siège du joint d'étanchéité annulaire coulissant sont désignées par la référence numérique 4, et les bagues coulissantes fixées aux bagues de siège
sont désignées d'une manière correspondante par la référence numérique 5.
Dans le mode de réalisation de la figure 1, un liquide d'étanchéité formant un film de lubrification entre les faces de glissement des bagues coulissantes 5 est désigné par la référence numérique 6. A la figure 1, les points d'entrée et de sortie du liquide d'étanchéité sont désignées globalement à l'aide respectivement des flèches M et N. Les relations établies dans le cadre des figures 1 et 2 sont évidentes à tout spécialiste enla matière, de sorte que la structure selon ces figures ne
sera pas décrite plus en détails ici.
Le détail représenté d'une manière générale à une plus grande échelle à la figure 3 est désigné par un cercle en pointillés à la figure 1. Il est toutefois bien évident que la figure 3 peut illustrer toute bague coulissante représentée aux figures 1 et 2. A la figure 3, on a employé les mêmes
références numériques qu'aux figures 1 et 2.
Dans la solution connue de la figure 3, la bague coulissante 5 est fixés
sur sa bague de siège 4 par un ajustement fretté agissant radialement.
L'ajustement fretté est réalisé d'une manière connue en chauffant la bague de siège 4, qui se dilate. La bague coulissante 5 est alors montée dans la bague de siège dilatée, qui se rétracte en refroidissant de sorte que la bague coulissante 5 est fixée dans la bague de siège 4. A la figure 3, les traits continus représentent une situation à laquelle la bague coulissante 5 a été montée dans la bague de siège 4, et les lignes pointillées une situation après
le refroidissement de la bague de siège.
Il est évident que la situation représentée en pointillés à la figure 3 est fortement exagérée. Des distorsions d'un tel montant ne se produisent pas dans la réalité. Toutefois, il est vrai que la face de glissement de la bague coulissante 5, face qui est représentée par la face libre de droite à la figure
3, est déformée dans le principe comme représenté à la figure 3.
L'évasement formé dans la bague coulissante 5 après le refroidissement peut
être éliminé en rectifiant la face de glissement pour qu'elle soit plate.
Toutefois, cette rectification ne supprime pas le problème posé, car dans la pratique la bague coulissante 5 sera déformée à des conditions de fonctionnement dans lesquelles la température est supérieure à la température de rectification, par suite du fait que la bague de siège 4 se dilatera alors, et qu'en conséquence la force de pression exercée sur la bague coulissante 5 diminuera. Ces phénomènes sont tout-à-fait connus par les
spécialistes en la matière.
Il faut encore noter que la face de glissement ne peut pas être munie d'une forme ondulée dans le sens périphérique par la rectification, bien que ce type de solution serait avantageux dans certains cas, comme on l'a
mentionné plus haut.
Selon l'idée de base de l'invention, la distorsion de la face de glissement, antérieurement considérée comme un retrait, est utilisée pour munir la face de glissement d'une forme ondulée avantageuse, car selon l'invention, les distorsionssont réparties sur la périphérie de la bague coulissante, de sorte qu'au lieu de devenir de forme conique, la face de glissement devient, vue depuis le sens de la face de glissement, de forme ondulée. Cela est par exemple obtenu au moyen des modes de réalisation préférentiels représentés aux figures 4 à 8. Les mêmes références numériques qu'aux figures 1 à 3 sont utilisées aux figures 4 à 8 pour les pièces correspondantes. Selon l'invention, une contre-surface axiale de la bague de siège 4, réalisant le contact avec une surface périphérique axiale de la bague coulissante 5 dans l'ajustement fretté, est configurée de manière à être discontinue dans le sens périphérique. Dans le mode de réalisation de la figure 4, cette discontinuité est obtenue en dotant la contre-surface de quatre ouvertures 7 régulièrement espacées, traversant la paroi de la bague de siège 4. Aux figures 5 et 8, la référence numérique 9 désigne en outre un joint d'étanchéité élastique monté entre la contre-surface de la bague de siège 4 et la périphérie extérieure de la bague coulissante. Le mode de réalisation de la figure 6 diffère de celui de la figure 5 uniquement par le
fait qu'il est prévu cinq ouvertures 7.
La solution décrite ci-dessus permet à l'effet de pression radial de l'ajustement fretté d'être dirigé sur la bague coulissante 5 au moyen de la contre-surface discontinue de la bague de siège, de sorte que la face de glissement est munie de différences de hauteur périphérique. Aux figures 4 et , ces différences de hauteur sont représentées à l'aide des traits 8. Des rainures d'usure selon les traits 8 sont formées dans la bague coulissante lorsque la bague tourne contre la contre-surface plane de l'autre bague coulisante. A l'aide de l'invention, une caractéristique considérée précédemment comme un inconvénient, à savoir la distorsion de la face de glissement, peut ainsi être mise à profit lorsque la face de glissement doit être munie d'une forme périphériquement ondulée afin d'obtenir une lubrification hydrodynamique. La lubrification hydrodynamique permet de
réduire de 10 à 30% le frottement abrasif entre les surfaces de glissement.
Cela implique que la valeur pv (p = pression; v = vitesse), représentative du fonctionnement d'une paire de bagues coulissantes, est augmentée de 10 à %. Ces avantages deviennent particulièrement apparents avec des machines possédant une vitesse de rotation élevée, et à des pressions élevées et avec des arbres de grands diamètres, car la vitesse de glissement augmente avec
la taille de l'arbre.
Les figures 7 et 8 représentent un mode de réalisation selon lequel la discontinuité de la contre-surface axiale de la bague de siège 4 est obtenue en dotant la contre-surface d'évidements 7' positionnés à des intervalles
réguliers dans le sens périphérique.
Il est possible de faire varier la longueur des points de discontinuité 7, 7' dans le sens périphérique de diverses manières; toutefois, il est préféré que la longueur d'une ouverture 7 ou d'un évidement 7' dans le sens périphérique soit au plus égale à la partie de la contre-surface de la bague de
siège qui est positionnée entre deux ouvertures ou évidements voisins.
Les modes de réalisation décrits ci-dessus ne sont en aucune manière restrictifs, et l'invention peut au contraire être modifiée de diverses
manières en restant dans le cadre des revendications annexées. En
conséquence, il est bien évident que le nombre, la taille et la forme des ouvertures ou évidements ne sont pas limités aux exemples représentés sur
les figures, mais que d'autres types de solutions sont tout-aussi bien envi-
sageables.
Claims (6)
1. Joint d'étanchéité annulaire coulissant, pour étanchéifier une partie de machine (1) rotative par rapport à une paroi, comprenant des bagues de siège (4) munies de bagues coulissantes (5) et disposées les unes par rapport aux autres de telle sorte que les faces de glissement d'étanchéité des bagues coulissantes (5) sont pressées les unes contre les autres et tournent les unes par rapport aux autres, chaque bague coulissante (5) étant fixée sur sa bague de siège (4) par ajustement fretté, d'une manière telle qu'une force de pression agissant radialement est exercée sur la bague coulissante, caractérisé en ce qu'une contre- surface axiale de la bague de siège (4), qui dans l'ajustement fretté est en contact avec une surface périphérique axiale
de la bague coulissante (5), est une surface axialement discontinue (7).
2. Joint d'étanchéité annulaire coulissant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la contre-surface axiale de la bague de siège (4) est munie d'au moins trois points de discontinuité (7, 7') positionnés à intervalles
réguliers dans le sens périphérique.
3. Joint d'étanchéité annulaire coulissant selon la revendication 2, caractérisé en ce que les points de discontinuité sont des ouvertures (7)
traversant la paroi de la bague de siège (4).
4. Joint d'étanchéité annulaire coulissant selon la revendication 2, caractérisé en ce que les points de discontinuité sont des évidements (7')
formés dans la contre-surface axiale de la bague de siège (4).
5. Joint d'étanchéité annulaire coulissant selon la revendication 2, caractérisé en ce que la longueur du point de discontinuité (7, 7') dans le sens périphérique est au plus égale à la partie de la contre-surface de la bague de
siège (4) qui est positionnée entre deux points de discontinuité (7, 7') voisins.
6. Joint d'étanchéité annulaire coulissant selon une quelconque des
revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un joint d'étanchéité
élastique (9) est monté entre la contre-surface axiale de la bague desiège (4)
et la surface périphérique axiale de la bague coulissante (5).
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