Brevet FR2282075A1 — publié le 19760312

La présente invention concerne un dispositif d'étanchéité pour des arbres de machines,qui peut servir en particulier à étanchéifier une traversée d'arbre dans la zone de séparation de deux espaces contigus où règnent des pressions différentes. A cet effet on prévoit au moins une bague d'étanchéité 'dont la périphérie est serrée dans une pièce de fixation entourant l'arbre. Dans les industries chimique, pharmaceutique et cosmétique, on rencontre de nombreux cas d'utilisation de joints pour arbres, qui doivent assurer llétanchéité de la traversée d'un arbre à travers une paroi d'un carter. Dans beaucoup de ces cas, des pressions différentes règnent des deux côtés de la paroi du carter, ce qui rend encore plus difficile llétanchéification de l'arbre, lequel tourne souvent à grande vitesse. Dans l'état de la technique on trouve des joints annulaires à glissement, dont les surfaces actives de glissement sont disposées perpendiculairement à l'axe de l'arbre. La force nécessaire à llétanchéification est fournie généralement par des ressorts. Habituellement, on associe des matériaux qui glissent l'un sur l'autre, tels que du charbon sur de l'acier trempé, ou bien des résines phénoliques sur de la fonte. L'inconvénient de ces joints annulaires à glissement est que, dans le cas d'un arbre tournant à grande vitesse, ils s'échauffent, et, par suite, ils s'usent rapidement et, ainsi, doivent être fréquemment remplacés. Pour étanchéifier les carters qui fonctionnent sous une surpression ou bien sous vide on utilise également des bottes à étoupe, bien connues. Celles-ci présentent des garnitures, qui sont pressées contre l'arbre par serrage de la bride du joint, et qui assurent ainsi l'étanchéité du système. Abstraction faite de ce que ces bottes à étoupe doivent être resserrées à des intervalles de temps réguliers, en raison du frottement de la garniture contre l'arbre, il se produit une usure de la matière, qui se traduit par l'apparition de fâcheuses rainures à la surface de l'arbre. Le but de la présente invention est de réaliser un dispositif d'étanchéité, qui puisse être utilisé sans problème pour des arbres tournant par exemple à une vitesse de 3000 t/mn, et qui, en outre, puisse être utilisé pour llétanchéification de carters travaillant sous une surpression ou bien sous vide. On a essayé d'éviter l'échauffement des joints montés sur des arbres tournant à grande vitesse, en envoyant sur l'ensemble du dispositif d'étanchéité, y compris la partie étanchéifiée de l'arbre, un courant d'un agent de refroidissement. Ces genres de réalisation sont cependant coûteux et, en outre, il s'y attache le risque que l'agent de refroidissement pénètre dans le réservoir qu'il s'agit d'étanchifier et se mélange avec les substances qui s'y trouvent. Le dispositif d'étanchéité pour des arbres de machines qui fait l'objet de la présente invention, permet d'éviter les inconvénients mentionnés ci-dessus, et il est caractérisé en ce que chaque bague d'étanchéité est constituée d'une matière plastique, élastique, résistant à une température d'au moins 100"C, et que sa surface d'étanchéité tournée vers l'axe de l'arbre repose sur une surface annulaire inclinée sur l'axe de l'arbre. De préférence, un porte-joint est fixé sur la périphérie de l'arbre de façon à tourner solidairement avec celui-ci, ce porte-joint présentant deux surfaces annulaires inclinées sur l'axe de l'arbre et étant disposées symétriquement par rapport à leur plan médian commun, de façon que la distance séparant les deux surfaces annulaires croise dans la direction de l'axe de l'arbre, cependant que sur chaque surface annulaire repose la surface d'étanchéité d'au moins une bague d'étanchéité. De préférence,le porte-joint est constitué par une pièce de révolution composée d'une matière plastique, résistant à l'usure, en particulier un polyamide, cette pièce étant bloquée dans un évidement de l'arbre au moyen d'un organe de retenue soumis à une pré-tension élastique. I1 peut eAtre avantageux que chaque bague d'étanchéité présente une rainure ou une encoche circulaire, concentrique, facilitant le fléchissement de la bague d'étanchéité et, par suite, son adaptation à la surface annulaire mentionnée. Le porte-joint est logé de préférence dans un boîtier dont la partie voisine de l'arbre entoure celui-ci avec un certain jeu, à la manière d'un moyeu, pour permettre, après desserrage de quelques boulons, de retirer le bottier de l'arbre, et d'enlever en même temps le porte-joint. Le bottier peut être constitué de trois parties, et les deux bagues d'étanchéité peuvent être maintenues dans des évidements circulaires ménagés entre les trois parties du bottier. Au dessin annexé on a illustré deux exemples de réalisation de l'objet de l'invention, qui vont être décrits ci-dessous La figure 1 est une coupe simplifiée du point detraversée de l'arbre d'un mélangeur de réservoir; les figures2 et 3 représentent chacune une variante de la construction selon la figure 1. A la figure 1 est représenté le couvercle 1 d'un réservoir, lui-meAme non représenté. Ce réservoir sert par exemple au mélange des substances qui s'y trouvent, avec une surpression ou sous vide. A cette fin, le couvercle 1 présente un évidement central 2, au bord duquel est montée une boîte cylindrique 3. La boite 3 longe le bord du réservoir par un épaulement 4, et le joint formé est étanchéifié à l'aide d'une bague circulaire 5. L'arbre 6 du mélangeur, pénétrant dans le réservoir, est monté dans un palier à billes 7 de manière à pouvoir tourner dans la boîte 3, et il est relié, à son extrémité supérieure, non visible sur le dessin, à un moteur d'entrainement, également non représenté sur la figure 1. A 1'extrémité inférieure de 1 'arbre 6, plongeant dans le réservoir est fixé un dispositif mélangeur d'un type connu de l'homme de l'art, qui n'est pas non plus représenté sur le dessin. Sur l'arbre 6, est placée une pièce de révolution 8, qui présente deux surfaces annulaires 9 et 10, qui sont disposées symétriquement par rapport au plan médian E, et qui sont inclinées d'un angle a sur l'axe de l'arbre 11. La pièce de révolution 8 est constituée de préférence d'une matière plastique résistant à l'usure, résistant à une température d'au moins 1000 C, par exemple un polyamide, et elle présente sur sa face intérieure cylindrique deux rainures circulaires, pour la réception de deux bagues circulaires 12 et 13. Dans un alésage de la pièce de révolution 8, dirigé radialement vers l'axe 11 de l'arbre, est disposé un boulon d'arreAt 14, qui appuie sur une bille d'entrainement 16 par l'intermédiaire d'un ressort 15. La bille d'entraînement 16 pénètre dans un évidement semisphérique de l'arbre 6, et elle fixe ainsi la pièce de révolu tion 8 sur l'arbre, de sorte qu'aucun mouvement d'une de ces pièces sur l'autre n'est possible. La boîte cylindrique 3 présente à son extrémité tournée vers le réservoir 1 un évidement 17, dans lequel est fixé un boîtier 18. Ce dernier est constitué dune partie centrale 18b et de deux parties extérieures 18a et 18c, les trois parties étant maintenues assemblées paraplusieurs boulons 19, disposés symétriquement sur le pourtour du boltier. Entre la partie centrale 18b et les parties extérieures 18a et 18c sont prévus des évidements circulaires, dans lesquels se trouvent des joints annulaires 20 et 21. Les deux joints annulaires 20 et 21, disposés symétriquement par rapport au plan E, sont également maintenus par les boulons lift et ils présentent, sur leurs surfaces tournées l'une vers l'autre, des entailles 20a et 21a. Les bords antérieurs, 20b et 21b, des deux joints annulaires reposent sur les surfaces circulaires 9 et 10 de la pièce de révolution 8, et ils glissent ainsi sur celles-ci pendant la rotation de l'arbre 6. Les deux joints annulaires 20' et 21 sont constitués d'une matière plastique résistant à l'usure, supportant une température d'au moins 100 C, et faisant preuve d'une certaine élasticité, de sorte qu'en raison de cette élasticité propre, chaque joint est constamment pressé contre la surface annulaire 9 ou 10, tournée vers lui. Les entailles 20a et 20b facilitentles déformations des joints annulaires 20 et 21 de façon qu'ils puissent mieux s'adapter à la position oblique représentée sur la figure 1. Le boîtier 18 est maintenu dans sa position par une bride circulaire 22, qui est vissée par en-dessous contre le bord de l'ouverture 2, au moyen de boulons 23. Dans la bride 22 est prévu un évidement 24, à l'intérieur duquel se trouve une bague centrifuge 25. Le boulon 27 et le trou taraudé 26 servent au montage et au démontage de la pièce de révolution 8 sur l'arbre 6. En effet, la pièce de révolution 8 peut être tournée à la main à l'aide du boulon 27 ainsi que d'un boulon supplémentaire, qui est vissé dans le trou taraudé 26; en immobilisant alors l'arbre 6, on peut faire sortir la bille d'arrêt 16 de l'évide- ment correspondant de l'arbre, et retirer la pièce de révolution 8 de l'arbre. Pour cela, après avoir enlevé la bride circulaire 22, on tire vers le bas le boîtier 18, le rebord 28 de la partie supérieure du boîtier 18a rencontrant le bord supérieur 29 de la pièce de révolution 8 et entraînant celle-ci avec lui. Le dispositif d'étanchéité décrit ci-dessus peut être utilisé pour l'étanchéification d'une traversée d'arbre qu'il règne dans le réservoir une surpression ou bien le vide. Dans le cas d'une surpression, celle-ci presse la bague d'étanchéité inférieure 21 contre la surface annulaire 10, tandis que, dans le cas du vide, la bague d'étanchéité 20 est pressée par l'atmosphère ambiante contre la surface annulaire 9. Dans les deux cas, l'étanchéité est parfaitement assurée. Grâce à son démontage facile, le dispositif d'étanchéité peut être nettoyé d'une façon simple et dans un court laps de temps. Les paliers 7 sont bien protégés contre les saletés, puisqu'ils ne viennent pas en contact avec les substances qui se trouvent dans le réservoir. La boîte 3 peut tre fabriquée en acier ordinaire, étant donné qu'elle non plus ne vient pas en contact avec les substances qui se trouvent dans le réservoir, et qui peuvent éventuellement être corrosives. Le refroidissement des bagues d'étanchéité et des surfaces annulaires 9 et 10 n'est pas nécessaire, coitflne' l'ont démontré des essais effectués à de hautes vitesses, supérieures à 3000 t/mn. L'usure des joints annulaires 20 et 21 est minimale, étant donné que leur pression d'application nlest produite que lorsque le réservoir se trouve sous une surpression ou sous vide. Grâce à la bague centrifuge 25, les particules tombant éventuellement vers le bas dans la fente entourant 1' arbre, sont expulsées vers l'extérieur par la force centrifuge, et elles restent dans l'évidement 24, de sorte qu'elles ne peuvent pas pénétrer à l'intérieur du réservoir. Le dispositif d'étanchéité selon l'invention est très peu sensible aux vibrations, et sa construction est robuste et peu compliquée, et ne comporte pas de pièces, devant être remplacées au bout d'un court laps de temps. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, l'angle a peut varier entre 50 et 70 ; on le choisit suivant le matériau, la forme et la disposition des bagues d'étanchéité 20 et 21. La variante selon la figure 2 correspond pour l'essentiel à la forme de réalisation décrite plus haut; sur la figure 2, les références des pièces homologues sont les mêmes que sur la figure 1. Cependant, à la différence de la forme de réalisation selon la figure 1, dans cette forme de réalisation on a prévu deux paires de bagues d'étanchéité 30/31, ce qui assure évidemment une meilleure étanchéité pour les gaz. Si l'on n' envisage pas l'utilisation du vide dans le réservoir, le dispositif d'étanchéité décrit plus haut peut éventuellement être doté d'un seul joint annulaire. Dans ce cas, le joint annulaire unique, qui pourrait suffire est celui désigné à la figure 1 par 21. Mais si l'on met l'intérieur du réservoir sous vide, la pratique montre qu'il faut prévoir deux joints annulaires. Selon une forme de réalisation préférée, les bagues d'étanchéité 20, 21 ou 30, 31 sont constituées d'une matière plastique, élastique, résistant à la chaleur, que l'on trouve dans le commerce sous le nom de "Unifolia". Le boîtier 18 est constitué de préférence dtune matière thermoplastique que l'on trouve sur le marché par exemple sous le nom de t'Ultradul B 4550". Une autre variante de l'invention est représentée à la figure 3. La coupe y représente un arbre 6 qui, dans ce cas spécial, sert à l'entraînement d'un mélangeur du type "Lodige", dans lequel un mélange de substancesest agité sous une surpression de par exemple 4 atmosphères. L'entrée de l'arbre 6 du mélangeur est étanchéifiée par un dispositif d'étanchéité qui est désigné dans son ensemble par 29, et qui est maintenu par une bague 30', représentée en traits mixtes. Dans ce cas également, un porte-joint8 est disposé sur la périphérie de l'arbre 6; ce porte-joint 8 présente trois surfaces d'étanchéité 32 33 et 34, ayant la forme de cônes tronqués inclinés vers l'axe de l'arbre. Le porte-joint 8 est réuni à l'arbre 6 de manière à tourner solidairement avec lui, par exemple à l'aide d'une clavette, connue en soi, et non représentée sur la figure 3. Un boîtier, désigne dans son ensemble par 18, et renfermant-le porte-joint 8, est constitué de deux parties 35 et 36, vissées ensemble en 37. Dans un évidement annulaire 38, ménagé dans la paroi intérieure de la partie 35 du boîtier 18 sont disposées trois bagues d'arret, 39, 40, 41, qui servent à la fixation de trois bagues d'étanchéité 42, 43, 44. Une partie de la surface libre de ces joints annulaires repose sur les surfaces d'étanchéité 32, 33 et 34, et est pressée contre les surfaces d'étanchéité 32, 33, 34, lors du fonctionnement du mélangeur, sous l'effet de la surpression s'exerçant d'un seul côté ce qui assure une parfaitevétanchéité du système. Afin d'éviter les pertes dues à des fuites, des joints annulaires 45 et 46, sont en outre disposés sur le porte-joint 8 et sur la partie 36 du boîtier. REVENDICATIONS 1.- Dispositif d'étanchéité pour des arbres de machines,en particulier pour étanchéifier une traversée d'arbre dans la zone de séparation de deux espaces contigus où règnent des pressions différentes, ce dispositif comportant au moins une bague d'étanchéité dont la périphérie est serrée dans une pièce de fixation, et étant caractérisé en ce que chaque bague d'étanchéité (20,21,30,31) est constituée d'une matière plastique élastique, résistant à une température d'au moins 1000C, et que sa surface d'étanchéité, tournée vers l'axe (11) de l'arbre repose sur une surface annulaire (9,10), inclinée sur l'axe de l'arbre, et aménagée sur la périphérie d'un portejoint (8), qui peut être enfilé sur l'arbre. 2.- Dispositif d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce que le porte-joint (8) est fixé sur la périphérie de l'arbre (6) de manière à tourner solidairement avec celui-ci, et qu'il présente deux surfaces annulaires (9,10), inclinées sur l'axe 11 de l'arbre et disposées symétriquement par rapport à leur plan médian commun (E), la distance séparant les deux surfaces annulaires croissant dans la direction de l'axe (11) de l'arbre, tandis que, sur chaque surface annulaire, repose la surface d'étanchéité (20b,21b) d'au moins une bague d'étanchéité (20,21...) . 3.- Dispositif d'étanchéité selon la revendication 2, caractérisé en ce que le porte-joint (8) est une pièce de révolution, constituée d'une matière plastique résistant à l'usure, en particulier un polyamide, ladite pièce étant bloquée dans un évidement de l'arbre (6) au moyen d'un organe de retenue (16) soumis à une pré-tension élastique. 4.- Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque bague (20,21) présente une rainure circulaire, concentrique (20a, 21a), dont le rôle est de faciliter le fléchissement de la bague d'étanchéité, et, par suite, son adaptation à la surface annulaire mentionnée. 5.- Dispositif d'étanchéité selon la revendication 2, caractérisé en ce que le porte-joint (8) est enfermé dans un boîtier (18), dont les parties voisines de l'arbre (28) entourent celui-ci avec un-certain jeu à la manière d'un moyeu, pour per mettre après desserrage de quelques boulons (23), de retirer le boîtier (18) de l'arbre et d'enlever en même temps le portejoint. 6.- Dispositif d'étanchéité selon la revendication 5, caractérisé en ce que le boîtier (18) est constitué de trois parties, et que les deux bagues d'étanchéité (20,21) sont maintenues dans des évidements circulaires, ménagés entre les trois parties du -bottier (18a, 18b, 18c).