Brevet FR2300931A1 — publié le 19760910

La présente invention a pour objet un palier lisse adapté pour fonctionner sous forte charge et à faible vitesse. Le palier selon l'invention est utilisable comme palier porteur pour les charges radiales. Ce palier est plus spécialement utilisable pour le montage des molettes rotatives des trépans tricônes qui sont utilisés pour les forages. Dans un palier lisse lubrifié, on sait que, dans l'hypothèse d'une charge et d'une viscosité constantes et déterminées, le coefficient de frottement décroit légèrement lorsque la vitesse de rotation diminue et passe par un minimum en deçà duauel il grandit de plus en plus rapidement. En deçà de ce minimum du coefficient de frottement le régime de lubrification est dit onctueux, le régime au-delà du minimum étant qualifié d'hydrodynamique. Le'point critique est défini par une valeur critique d'une variable dans laquelle interviennent notamment la vitesse au numérateur et la charge au dénominateur. De ce fait, plus la vitesse est lente et plus la charge est importante, plus la tendance de fonctionnement en régime oncluzx peut l'emporter.La lubrification en régime onctueux tend notamment à se produire au moment des démarrages et des arrêts. Le régime onc de frottement tueux qui se caractérise par un coefficientlimportant et l'apparition de l'usure se produit lorsque les surfaces du palier frottent l'une sur l'autre, le film de lubrification étant mince ou supprimé. Dans ces conditions de fonctionnement où il se produit un frottement sec, la nature des matériaux du coussinet et de l'arbre du palier a une grande importance. L'usure en frottement sec est due essentiellement au phé noumène d'adhésion par formation de soudures et au phénomène d'usure par abrasion. Depuis longtemps on a envisagé des surfaces frottantes comportant une phase dure et une phase tendre. lies brevets US.numéros 2.517.430, 1.941.768, 2.431.430, 2.329.483 décrivent des coussinets pour paliers lisses qui sont réalisés en un matériau dur résistant à l'abrasion et contenant des inclusions d'un matériau plus tendre mais doté d'une bonne résistance au grippage, comme l'argent par exemple.L'application aux outils de forage de coussinets en métal de dureté élevée avec des inclusions en un métal mou résistant au grippage a été décrite dans le brevet américain 3.235.316, le métal dur du coussinet et de l'arbre étant un acier carburé dur. On a envisagé dans les brevets français 1.464.065 ou 1.558.297, des paliers avec des segments qui tournent librement dans l'espace annulaire formé entre l'alésage d'une pièce et le tourillon de l'autre pièce Les segments peuvent Qtre séparés par des morceaux de matière lubrifiante sèche ou comporter des inclusions de matière lubrifiante sèche. lies matières lubrifiantes sèches utilisées couramment sont des matières ayant une structure lamellaire ou sont des matières dérivées des savons. On a envisagé dans le brevet US nO 3.476*446 de disposer une bague dans l'espace annulaire formé entre l'alésage et le tourillon, cette bague étant libre en rotation. L'invention fournit un palier lisse, notamment pour outils de forage à molettes, doté d'une grande durée de vie La réalisation d'un double palier entre molette et tourillon diminue les risques de grippage qui sont de plus diminués par un choix adéquat des matériaux, La réalisation du palier est facile du fait que les parties délicates à fablraiquer sont concentrées sur une pièce amovible, indépendante de / molette et du tourillon. lie palier selon l'invention qui est destiné à assurer le guidage en rotation entre d'une part une pièce pourvue d'un alésage intérieur en un matériau métallique dur et résistant à l1abra- sion et d'autre part une pièce formant tourillon et pourvue d'une portée extérieure en un matériau métallique dur et résistant à l'abrasion, les deux pièces ayant un mouvement de rotation relatif, comprend un anneau composé d'au moins un élément et monté libre dans l'espace annulaire compris entre l'alésage et le tourillon et il est essentiellement caractérisé par le fait que l'anneau comporte au moins une portée extérieure et au moins une portée intérieure réalisées en un matériau métallique dur et au moins une portée extérieure et au moins une portée intérieure réalisées en un matériau métallique tendre doté de propriétés contre le grippa ge. Selon une caractéristique de l'invention,- ce métal fait partie du groupe argent, germanium, indium, étain, antimoine, thallium, plomb, bismuth, cadmium, cuivre. L'invention va maintenant être décrite avec plus de détails en se référant à des modes de réalisation représentés sur les dessins annexés. La figure 1 représente, en coupe verticale, un trépan de forage doté du palier selon l'invention. La figure 2 est une coupe selon I-I de la figure 1 et montre un premier type de palier. f figure 5 e une coupe selon I-I de la figure 1 et montre un second type de palier. La figure 4 est une coupe selon I-I de la figure 1 et montre un troisième type de palier. La figure 5 représente en perspective un organe du palier représenté sur les figures 1 et 4. En se référant aux figures 1 à 5, le palier selon l'invention assure le guidage en rotation d'une pièce 1 par rapport à un tourillon 2. Le palier est appliqué à un trépan de forage à molettes. La pièce 1 est une molette munie extérieurement d'éléments coupants, le tourillon 2 faisant partie d'un corps à trois bras. Chacun des bras est solidaire d'un tourillon tel que 2 sur lequel est montée une molette. lie tourillon 2 comporte une portée cylindrique 21 de grand diamètre, une portée cylindrique 22 de plus faible diamètre, et une gorge annulaire 23. La molettes comprend une portée cylindrique 11, une portée cylindrique 12 et une gorge annulaire 13. Dans la portée cylindrique 12 est emmanchée une bague 4 ayant une fonction de coussinet sur la portée 22 du tourillon. La liaison axiale de la molette sur le tourillon est assurée par des billes 5 qui roulent dans les gorges 13 et 23. lie tourillon comporte une portée 24 annulaire et une portée 25, toutes deux perpendiculaires à l'axe du tourillon.La molette comporte une portée 15 s'appuyant contre portée 25 et une portée 14 s'appuyant contre la portée 24. lies couples de portées 15-25 et 14-24 forment des paliers de butée servant à encaisser la composante axiale des efforts s'exerçant sur la molette. Un joint 6 assure l'étanchéité entre la molette et le tourillon. Te palier est lubrifié par de la graisse stockée dans un réservoir 7. lie palier selon l'invention est formé entre la portée tl de la pièce 1 et la portée 21 du tourillon, la pièce 1 et le tourillon 2 étant animés l'un par rapport à l'autre d'un mouvement relatif de rotation. L'élément essentiel du palier selon l'invention est constitué par un anneau simple ou composé 3 qui est logé dans l'espace annulaire compris entre les portées 11 et 21. Cet anneau est guidé axialement entre deux épaulements ménagés, l'un sur la molette, l'autre sur le tourillon ou tous deux sur la molette ou sur le tourillon. La portée 11 est une surface métallique dure et résistante à l'abrasion. La portée 11 peut être une surface cémentée et trempée. Elle peut être encore constituée par la surface d'une couche de rechargement 16 en an alliage dur à base de fer et de cobalt du type des alliages connus sous la dénomination commerciale "Stellite". ma portée 21 est une surface métallique dure et résistante à l'abrasion. La portée 21 peut entre une surface cémente et trempée. Elle peut encore être constituée par la surface d'une couche de rechargement 26 en un alliage dur à base de fer et de cobalt du type précité. La périphérie extérieure de l'anneau 3 comporte une ou plusieurs portées 311 d'un matériau métallique dur et résistant à l'abrasion et des portées 312 d'un matériau métallique tendre et doté de propriétés particulières contre le grippage. La périphérie intérieure de 11 anneau 3 comporte une ou plusieurs portées 321 d'un matériau métallique dur et résistant à l'abrasion et des portées 322 d'un matériau tendre et doté de propriétés particulières contre le grippage. les portées 311 et 321 peuvent entre les surfaces d'un acier cémenté et trempé. Elles peuvent aussi constituer la surface d'un alliage dur du type précité. lies portées 312 et 322 sont les surfaces d'un matériau tendre et doté de bonnes propriétés contre le grippage qui est susceptible de se produire pendant les frottements sur les portées 11 et 21. On explique, aujourd'hui, les propriétés antigrippage d'un matériau métallique contre un autre matériau métallique, par l'insolubilité de l'un des métaux par rapport à l'autres Des classements des métaux dotés de bonnes propriétés contre le grippage sont donnés. lie matériau constituant les portées 312 et 322 doit titre un métal du groupe argent, germanium , indium, étain, antimoine, thallium, plomb, bismuth, cadmium, cuivre ou un alliage de ces métaux.Pour obtenir les meilleures performances, il faut utiliser l'argent ou un alliage argent-manganèse. On comprend que la réalisation de deux paliers lisses, l'un entre la portée 11 et la portée extérieure de la bague 3, l'autre entre la portée 21 et la portée intérieure de la bague 3, diminue les risques de grippage. Si un grippage se produit par exemple dans le palier extérieur entre la bague 11 et la bague 3, le palier intérieur peut assurer un fonctionnement normal et inversement. lie choix des matériaux pour ces paliers contribue également à fournir un palier doté d'une bonne résistance au grippage et d'une longue durée de vie. Plusieurs modes de réalisation peuvent être envisagés pour réaliser à la fois sur la périphérie extérieure et sur la périphérie intérieure des plages en métal dur et des plages en métal tendre doté de propriétés antigrippage. Ainsi dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, l'anneau 3 est formé par des patins 33 et par des patins 34. Les patins 33 et 34 sont indépendants les uns des autres et sont simplement juxtaposés, les patins 34 étant intercalés entre les patins 33. lies portees 311 et 321 en métal dur résistant à l'abrasion sont ménagées sur les patins 33e Tes portées 312 et 322 en métal tendre et antigrippant sont ménagées sur les patins 34. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures t et 3, l'anneau 3 est formé d'une pluralité de segments indépendants 35 sur lesquels sont ménagées les portées 311 et 312 du côté extérieur et les portées 321 et 322 du coté intérieur. Comme dans le mode de réalisation précédent, les portées 311 et 321 sont en un matériau dur et résistant à l'abrasion défit; plus haut. Les portées 312 et 322 sont formées par des plots 351 inserrés dans les segments 35. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1, 4 et 5, 11 anneau 3 est en une seule pièce. Il est muni des portées 311, 312, 321 et 322 définies précédemment. lies portées 312 et 322 en métal à caractéristiques antigrippage peuven > /formées par des plots 361 formés entièrement du métal précédent ou par des plots en acier simplement revus de ce métal. lies plots 361 peuvent entre simplement introduits dans des trous d'une bague 36 en un métal dur résistant à l'abrasion. Cette variante a l'avantage dure facile à réaliser. Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer des variantes et perfectionnements de détails, de même qu'envisager l'emploi de moyens équivalents. Ainsi la forme et la disposition des portées 312-322 et des portées 311 et 321 prévues sur l'anneau 3 peuvent varier. REVES3IC i o- Palier lisse qui assure le guidage en rotation entre d'une part une pièce pourvue d'un alésage intérieur en un matériau métallique dur et résistant à l'abrasion et d'autre part une pièce formant tourillon et pourvue d'une portée extérieure en un maté riau métallique dur et résistant à l'abrasion, les deux pièces ayant; un mouvement de rotation relatif, et qui comprend un anneau composé d'au moins un élément et monté libre dans l'espace annulaire compris entre l'alésage et le tourillon caractérisé par le fait Que l'anneau comporte au moins une portée extérieure et au moins une portée intérieure réalisées en un matériau métallique dur et au moins une portée extérieure et au moins une portée intérieure réalisées en un matériau métallique composé d'au moins un métal tendre doué de propriétés antigrippage. 2.- Palier lisse selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le métal tendre doué de propriétés antigrippage est un métal du groupe argent, germanium, indium, étain, antimoine, thallium, plomb, bismuth, cadmium, cuivre. 3.- Palier lisse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'anneau est formé par des patins comportant des portées extérieure et intérieure constituées avec le matériau métallique dur résistant à l'abrasion et des patins dotés de oortées extérieure et intérieure constituées avec le matériau métallique tendre à propriétés antigrippage. 4.- Palier lisse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'anneau est formé par une seule pièce constituée par le matériau dur et résistant à l'abra- sion et percée de trous comportant des plots formant les portées de métal tendre doté de propriétés antigrippage. 5.- Palier lisse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'anneau est composé d'une pluralité de patins comportant des portées du matériau métallique dur et des portées du matériau doté de propriétés antigrippage.