Brevet FR2466684A1 — publié le 19810410

Perfectionnements apportés aux ensembles de Garnitures étanches pour arbres La présente invention concerne des garnitures pour machines, et plus particulièrement des ensembles de garni- ture nouveaux destinés à assurer une étanchéité avec des arbres tournants, et des garnitures de graphite utilisées dans ces ensembles. Un ensemble de garniture constitué entièrement par des rondelles de garniture résistantes, compressibles, non élastiques et à faible coefficient de friction, telles que des rondelles de graphite, détermine une surface d'étanchéi- té relativement sans friction vis-à-vis de l'arbre tournant et permet un fonctionnement à haute température. Cepen- dant, du fait qu'elles sont dures et denses, les rondelles de garniture en graphite ou en matériaux similaires ne se compriment pas facilement en direction axiale pour venir en contact radial avec un arbre et former un joint efficace. La force importante exercée par un serre-garniture contre les rondelles de graphite en vue de réduire les fuites à un niveau acceptable peut provoquer l'échauffement de l'arbre à des températures excessivement élevées en raison de la pression exercée sur l'arbre, laquelle ne peut être soula- gée du fait que les rondelles de garniture résistantes en graphite ne sont pas élastiques. Le manque d'élasticité rend difficile le réglage précis qu'il faut effectuer pour obtenir un joint approprié sans qu'il y ait une pression indésirable. Pour donner à l'ensemble une certaine élastici- té et déterminer un joint efficace sans pression de scelle- ment indésirable, on a fait appel à des rondelles de garni- ture élastiques, telles que des rondelles d'amiante tressé, ou analogues, incorporées dans l'ensemble en alternance avec les rondelles de graphite. Cependant, la différence entre les coefficients de friction des rondelles de garni- ture élastiques et des rondelles de garniture de graphite provoque une usure inégale de l'arbre, cette usure étant plus importante dans les zones dans lesquelles les rondel- les de garniture élastiques sont en contact avec l'arbre 2466684. tournant que dans les zones qui sont en contact avec les rondelles de garniture en graphite. Une usure prématurée de l'arbre est donc une conséquence de cette usure inégale. De plus, il faut toujours faire appel à des forces de compres- sion axiales élevées pour provoquer un déplacement radial et établir un contact avec l'arbre. Le but principal de l'invention est de créer un ensem- ble de garniture pour arbre tournant déterminant une sur- face de contact étanche continue en un matériau résistant, compressible, non élastique et à faible coefficient de friction qui est appliqué contre l'arbre, de manière que le coefficient de friction appliqué sur toute la longueur de l'arbre soit uniformément faible,toutendéterminant une élasticité souhaitable pour permettre un réglage radial précis sans appliquer une pression indésirable à l'arbre. Un autre but de l'invention est de créer une rondelle de de garniture d'étanchéité nouvelle en graphite destinée à être utilisée dans cet ensemble. En général, l'invention concerne un ensemble de garni- ture comprenant des rondelles de garniture alternées réali- sées en un matériau résistant, compressible, non élastique et à faible coefficient de friction, et des rondelles en un matériau élastique. Les rondelles résistantes comprennent chacune une paroi cylindrique définissant une surface de contact étanche,des rondellesadjacentes venant en butée de manière à définir une surface de contact étanche en graphite cylindrique et continue. Chaque rondelle résistante com- prend également une paire de parois radiales formant des - angles convergents pour définir des espaces entre rondelles adjacentes. Les rondelles élastiques sont pressées dans les espaces compris entre bagues résistantes adjacentes. En plus de cet ensemble, l'invention concerne des rondelles de graphite, c'est-a-dire des rondelles résistantes en tant que telles. Dans les modes de- réalisation préférés# les parois radiales de chaque rondelle résistante forment des angles aigus se terminant en un sommet et définissant en coupe un triangle équilatéral. La rondelle résistante est constituée par une feuille ou un ruban de graphite comprimé. On place une rondelle élastique à chaque extrémité de l'ensemble, et les rondelles élastiques définissent une surface continue de matériau élastique parallèle à la surface de contact étanche des bagues pleines et à une certaine distance de celles-ci. Chaque rondelle élastique, à l'exception des rondelles terminales, a également en coupe la forme d'un triangle équilatéral.Lesrondelles élastiques sont réalisées en un matériau de garniture pressé. D'autres objets, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'homme de l'art à la lecture de la description détaillée qui suit d'un mode de réalisation préféré, référence étant faite aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en élévation, partiellement en coupe, d'un arbre tournant traversant une boite à garniture pourvue d'un ensemble de garniture selon l'invention, la figure 2 est une vue isométrique d'une rondelle de garniture en graphite appartenant à l'ensemble représenté sur la figure 1, la figure 3 est une vue isométrique d'une rondelle de garniture élastique utilisée dans l'ensemble représenté sur la figure 1, la figure 4 est une vue en coupe d'une matrice utilisée pour former la garniture, et la figure 5 est un graphique représentant les perfor- mances d'un ensemble de garniture selon l'invention. Si on se reporte maintenant aux dessins, la figure 1 représente un ensemble de garniture 10 selon un mode de réalisation préféré de l'invention. L'ensemble de garniture 10 est disposé entre un arbre tournant 12 et un logement ou boîte à garniture 14. L'arbre 12 traverse la boîte à garni- ture 14. La boîte à garniture est espacée de l'arbre de manière à définir un espace annulaire dans lequel est disposé l'ensemble de garniture 10. Une extrémité de la boite à garniture 14 comprend une collerette 18 orientée vers l'intérieur. L'ensemble de garniture 10 est pressé dans la boite à garniture 14 par le serre-garniture 20 fixé de façon réglable à l'autre extrémité de la boîte à garnitu- re 14 au moyen de boulons 22. A l'intérieur de la boîte à garniture 14, l'ensemble de garniture 10 comprend des rondelles de garniture résistantes, compressibles, non élastiques et à faible coefficient de friction 24, 26 et 28, qui alternent avec des rondelles élastiques 30, 32, 34 et 36. Les rondelles 24, 26, 28 représentées sur les fig. 1 et 2 sont réalisées en graphite. Chaque rondelle a la forme d'un coin, de section triangulaire, et elle com- prend une surface de contact interne cylindrique 38 qui est en contact étanche avec l'arbre 12. Chaque ron- delle de graphite comprend deux surfaces latérales conver- gentes 40, 42 se rencontrant en un sommet 44. La série de ces rondelles de graphite disposées autour de l'arbre 12 détermine une surface continue en graphite n'exerçant pratiquement pas de friction et auto-lubrifiante, appliquée contre l'arbre 12. On peut utiliser d'autres matériaux que le graphite, tels que le polytétrafluoroéthylène, dont le coefficient de friction est faible, et qui peuvent être comprimés et assumer la forme désirée quand on les soumet à une force suffisante, et qui ensuite conservent de façon non élastique cette forme désirée, ce qui signifie que lorsqu'ils sont soumis à une compression dans une boite à garniture, ils sont comprimés ou appliqués X la façon d'ttn moulage contre le diamètre de l'arbre et conservent cette position. Entre les rondelles de graphite 24, 26 et 28 et en contact direct avec elles est disposée une série de rondel- les élastiques en graphite ou en amiante tressé 30, 32, 34- et 36. La rondelle de garniture supérieure 30 est pourvue d'une face plate, c'est-à-dire orientée radialement perpen- diculairement à l'axe de l'arbre, portant contre la face inférieure du serre-garniture 20, et une face opposée inclinée 40 adaptée pour établir un contact direct avec la face-inclinée de la rondelle de graphite adjacente 24. De même, la rondelle de garniture inférieure 36 est pourvue d'une face plate portant contre la collerette 18 et une face opposée inclinée qui est en contact direct avec la rondelle de graphite 28. Les rondelles 32 et 34 comprennent chacune un corps annulaire, de section triangulaire, avec une surface externe cylindrique 46 qui est en contact direct avec la boite à garniture 14, et deux surfaces latérales convergentes 48, 50 se rencontrant en un sommet 52, les côtés ayant la même orientation que les surfaces convergentes 40, 42 des rondelles en graphite. Les rondel- les élastiques forment une surface continue portant contre la paroi de la boîte à garniture. Les rondelles élastiques sont réalisées de préférence en fibres de graphite tressées; cependant, des rondelles en fibres d'amiante tressées imprégnées de substances classiques, telles que du polyté- trafluoroéthylène et une graisse de pétrole, maintiennent mieux leur forme et on peut les préférer quand il s'agit d'applications o la température ne dépasse pas le point critique de la substance d'imprégnation. D'autres matériaux tels que des matériaux élastomériques peuvent convenir pour des applications particulières. Chaque rondelle résistante de graphite est fabriquée par enroulement d'une feuille ou d'un ruban de graphite 62 autour d'un mandrin 60, comme représenté sur la figure 4, et par compression du ruban dans une matrice de forme appropriée de manière à atteindre de 50 à 60% de son volume d'origine. Une compressibilité d'environ 10% subsiste dans la rondelle de graphite de forme triangulaire qui est ainsi formée. La rondelle de graphite est de préférence comprimée jusqu'à environ 10% de sa compressibilité maximale pour réserver la possibilité d'une compression ultérieure tout en limitant le déplacement axial nécessaire à la compression totale désirable en cours d'utilisation. Chaque rondelle - élastique est fabriquée en enroulant une longueur de garni- ture tressée classique autour d'un mandrin et en la compri- mant dans une matrice pour lui donner la forme d'une ron- delle triangulaire. La matrice permettant de former les rondelles de garniture est représentée sur la figure 4, et elle comprend, en plus du mandrin 60, une plaque de base 64 supportant le mandrin 60 et un cylindre externe 66. Des éléments annulaires en forme de coins 68, 70 sont insérés dans la matrice en dessus et en dessous du matériau de garniure 62. A la partie supérieure de la matrice est prévu un piston 72 qui coopère avec une presse qui applique une -2466684 6. pression audit piston 72 et déplace l'élément supérieur 68 pour l'appliquer contre le matériau de garniture 62 de manière à le comprimer et à lui donner la forme désirée. En variante, on peut utiliser de la poudre de graphite que met en forme la matrice, de préférence avec une densité minimale. En fonctionnement, l'ensemble de garniture 10 est installé dans la botte à garniture 14 autour de l'arbre 12, les rondelles de graphite 24, 26, 28 formant une surface continue de contact étanche en graphite le long de l'arbre 12 à l'intérieur de la botte à garniture 14, puis le serre- garniture 20 est mis en place et serré au moyen des boulons 22 de façon à comprimer l'ensemble de garniture 10. L'arbre est alors entraîné en rotation de la manière dont il doit fonctionner normalement, et on règle les boulons 22 pour contrôler les fuites observées. -_ Au cours d'un essai, un ensemble de garniture a été utilisé avec un arbre en acier inoxydable 440, durci et plaqué au chrome, d'un diamètre de 44, 43 mm. On a inséré dans la botte à garniture quatre rondelles d'amiante et trois rondelles de graphite. Les rondelles de graphique ont été comprimées jusqu'à ce que leur densité soit comprise entre environ 1,3 et 1,5. Les rondelles ont été installées individuellement et bourrées à l'intérieur de la botte à garniture, les joints étant décalés autour de l'arbre de (les rondelles avaient été fendues pour faciliter leur installation autour de l'arbre). Au démarrage de la machi- ne, sous une pression de 2,46 kg/cm2 et avec un arbre tournant à la vitesse de 1800 tours à la minute, sa vitesse de surface étant de 251,6 m/min., il a été nécessai- re de desserrer les boulons 2 du serre-garniture pour provoquer une fuite. Après réglage nitial, la fuite a commencé au taux de 1 goutte/min., soit 0,08 ml/min.., puis a augmenté et fluctué pendant la période initiale de rodage, comme le montre la figure 4. Cependant, il n'a plus été nécessaire d'effecter aucune réglage nouveau après 10 jours, la fuite étant stabilisée à environ 3 gouttes/min., soit 0,25 ml/min. Pendant les essais, la fuite moyenne a été de 0,5 ml/min. pour une température moyenne de la garniture de 38,8WC. Avantageusement, les surfaces inclinées des rondelles respectives de graphite et d'amiante permettent non seule- ment d'exercer une pression radiale sur les rondelles de graphite pour rendre un arbre étanche, mais, en combinaison avec l'élasticité des rondelles d'amiante, elles permettent en outre aux rondelles de graphite de se dilater radiale- ment et de soulager toute surpression interne et minimiser ainsi le risque de grippage de l'arbre. En outre, l'utili- sation de rondelles d'amiante, disposées de façon continue le long du diamètre externe de la boîte à garniture, réduit la fuite au niveau du diamètre externe. Il est entendu que d'autres formes de réalisation susceptibles de venir à l'esprit de l'homme de l'art entrent dans le champ d'application de l'invention tel qu'il est défini par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1.- Ensemble de garnitures comprenant une série de rondelles de garnitures résistantes, compressibles, non élastiques et à faible coefficient de friction, et une série de rondelles de garnitures élastiques, une ron- delle élastique étant disposée entre deux rondelles de garnitures résistances, caractérisé en ce que lesdites rondelles résistantes comprennent chacune une paroi cylindrique définissant une surface de contact étanche et deux parois orientées de façon générale radialement et formant des angles convergents à partir de ladite paroi cylindrique, les rondelles résistantes venant chacune en butée contre lesdites rondelles élastiques, les parois cylindriques des rondelles résistantes définissant une surface de contact continue constituée par lesdites rondelles résistantes le long de la totalité de la dimension axiale desdites rondelles résistantes et les dimensions angulaires desdites paires de parois des rondelles résistantes définissant des espaces entre rondelles résistantes adjacentes à l'opposé de leurs dites parois cylindriques, et en ce qu'une rondelle élastique est disposée dans chaque espace compris entre rondelles résistantes adjacentes, ce grâce à quoi une force axiale exercée sur l'ensemble provoque l'applica- tion d'une composante de force radiale sur lesdites rondelles résistantes au moyen desdites rondelles élastiques. 2.- Ensemble de garnitures selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une rondelle élastique est disposée à chaque extrémité de l'ensemble et est appliquée contre les rondelles résistantes de cet ensemble. 3.- Ensemble de garnitures selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux parois de chaque rondelle résistante convergent en un sommet, la rondelle ayant une section triangulaire, et en ce que chaque rondelle élastique, disposée entre des rondelles résistantes, comprend deux parois, partant d'une paroi cylindrique, s'étendant radialement vers un-sommet disposé le long desdits angles convergents des parois adjacentes desdites rondelles résistantes. 4.- Ensemble de garniture selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdites rondelles élastiques sont en butée les unes contre les autres au-delà de l'étendue radiale des rondelles résis- tantes et définissent une surface cylindrique continue constituée par ledit matériau élastique, parallèle à la surface de contact continue constituée par lesdites rondelles résistantes et à une certaine distance de celles-ci. 5.- Ensemble de garniture selon la revendication 4, caractérisé en ce que les paires de parois des ron- delles résistantes et des rondelles élastiques constituent les parois de triangles équilatéraux et en ce que lesdites parois cylindriques des rondelles constituent les bases desdits triangles. 6.- Ensemble de garnitures selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une rondelle élastique terminale est disposée à chaque extrémité de l'ensemble contre les ron- delles résistantes de cet ensemble,chaque rondelle élasti- que terminale comprenant une paroi orientée radialement et s'étendant selon un angle complémentaire de celui de la paroi adjacente disposée radialement de la rondelle résis- tante adjacente et une autre paroi disposée radialement et s'étendant selon un angle perpendiculaire à l'axe de l'en- semble de garnitures, lesdites parois disposées radialement de chacune desdites rondelles élastiques terminales conver- geant vers un sommet. 7.- Ensemble de garnitures selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdites ron- delles résistantes sont constituées en graphite partielle- ment comprimé. 8.- Ensemble de garnitures selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdites rondelles élastiques sont constituées en un matériau de garniture tressé. 9.- Ensemble de garnitures selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdites rondelles de graphite sont constituées par de la feuille ou du ruban de graphite comprimé jusqu'à environ 10 de sa compressibilité maximale. 10.- Rondelle de garniture d'étanchéité, destinée notamment à être utilisée dans un ensemble de garnitures selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant un anneau en graphite comprimé pourvu d'une paroi cylin- drique définissant une surface de contact étanche et com- prenant deux parois disposées généralement radialement à partir de ladite paroi cylindrique, caractérisée en ce que les deux parois s'étendent à partir de la paroi cylindrique en formant des angles convergents. 11.- Rondelle de garniture selon la revendication , caractérisée en ce que les deux parois convergent vers un sommet, la rondelle ayant une section triangulaire. 12.- Rondelle de garniture selon la revendication 10 ou 11, caractérisée en ce que chacune des parois s'étend selon un angle aigu à partir de ladite paroi cylindrique. 13.- Rondelle de garniture selon la revendication 12, caractérisée en ce que les deux parois sont consti- tuées par les parois d'un triangle équilatéral et en ce que ladite paroi cylindrique est constituée par la base dudit triangle équilatéral. 14.Rondelle de garniture selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisée en ce que le graphite est constitué par une feuille ou un ruban de graphite partiellement comprimé. 15.- Rondelle de garniture selon la revendication 14, caractérisée ence qu'elle est comprimée jusqu'à environ 10% de sa compressibilité maximale.