Brevet FR2494380A1 — publié le 19820521

Dispositif d'étanchéité mécanique et procédé de profilage de sa surface de glissement. La présente invention concerne un dispositif d'étanchéité mécanique. Jusqu'à maintenant comme moyen pour réduire l'importance de la fuite d'un dispositif d'étanchéité mécanique, on connait un procédé dans lequel, en ce qui concerne la surface de glissement de la bague formant siège et celle de la bague d'étanchéité, les deux bagues constituant le dispositif d'étan- chéité mécanique, le film fluide interposé entre ces deux surfaces de glissement est rendu plus mince en améliorant la précision de surface des surfaces de glissement, et un procédé dans lequel une rainure en spirale est formée sur la surface de glissement, le film fluide étant rendu plus mince par utilisation de l'effet de pompage en résultant. Cependant, dans les deux procédés conventionnels ci-dessus, la réduction de l'importance de la fuite entra ne une augmen- tation du dégagement de chaleur induit par le mouvement de glissement, ce qui provoque des détériorations thermiques telles qu'une déformation thermique et une usure de la surface de glissement et, dans certains cas, provoque de plus une dégradation du dispositif d'étanchéité telle que des fissures et des ébarbures sur la surface de glissement et éventuellement la durabilité de l'étanchéité est détériorée. De ce fait on a considéré jusqu'à maintenant qu'il était très difficile de contrôler à la fois les performances d'étan- chéité et la production de la chaleur de glissement qui sont en opposition l'une avec l'autre et, à cette fin, on a adopté des matériaux de glissement résistant à la chaleur pour la bague de siège et la bague d'étanchéité ci-dessus pour accroî- tre le facteur de sécurité ou on a autorisé une légère aug- mentation de l'importance de la fuite. Comme moyen pour profiler la surface de glissement d'une bague de siège ou d'une bague d'étanchéité dans les dispositifs d'étanchéité mécaniques conventionnels, on utilise largement des procédés de polissage, de meulage, de taille et de moulage et, après mise en oeuvre de ces procédés, on effectue un polissage, un meulage ou on rend rugueuse la surface par un traitement mécanique ou chimique. Cependant quoi que de tels procédés conventionnels présentent une certaine efficacité pour atteindre leur but, à savoir le maintien de la durabilité de l'étanchéité, ils ne peuvent fixer le rapport de répartition entre la partie de la surface assurant l'étanchéité et la partie de la surface assurant la lubrification de la surface de glissement et, en consé- quence, il n'est pas encore possible de contrôler convena- blement l'importance de la fuite et la quantité de chaleur engendrée sur la surface de glissement. La présente invention a été accomplie à la vue des problèmes ci-dessus. Elle a pour but de fournir un dispositif d'étan- chéité mécanique très supérieur, non seulement dans ses per- formances d'étanchéité, mais aussi dans les performances de lubrification et, de plus, dans la durabilité de l'étan- chéité, dans lequel la fuite du fluide est empêchée par un contact de glissement entre une bague formant siège fixée dans un logement et une bague d'étanchéité fixée sur un arbre rotatif qui est inséré à travers la bague formant siège, la bague d'étanchéité étant adaptée pour tourner avec l'arbre rotatif. Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé pour fabriquer facilement un dispositif d'étanchéité mécanique permettant de contrôler à la fois la performance d'étanchéité et l'importance de la fuite et la performance de lubrification ou la quantité de chaleur engendrée. Les buts ci-dessus de la présente invention peuvent être atteints par un dispositif d'étanchéité mécanique d'une cons- truction dans laquelle de fines rainures sont formées sur la surface de glissement soit de la bague formant siège, soit de la bague d'étanchéité de manière que leurs deux extrémités atteignent respectivement l'extrémité périphérique externe et l'extrémité périphérique interne de la surface de glissement et qu' une partie des fines rainures soit inclinée vers l'avant et le reste incliné vers l'arrière par rapport à la direction de rotation relative et que, parmi les fines rainures, celles qui se trouvent dans la direction de rotation relative pour effectuer une action de pompage ou une action d'étanchéité soient formées en un plus grand nombre, et par un procédé dans lequel les fines rainures ayant une telle disposition sont formées par photo-impression des fines rainures sur la surface de glissement sur laquelle a été appliqué au préalable un matériau photosensible ou par traçage au tampon ou impression avec de l'encre des fines rainures sur la surface de glissement, le traçage étant suivi d'une gravure chimique. Un bref résumé de la présente invention a été donné ci-dessus mais d'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée faite ci-après avec référence aux dessins ci-annexés. On comprendra cependant que les dessins ont seulement pour but d'illustrer la présente invention et ne limitent pas son étendue. La figure 1 est une vue en coupe partielle d'un dispositif d'étanchéité mécanique dans son état monté, conformément à un mode de réali- sation de la présente invention; la figure 2 est une vue de face de la surface de glissement de la bague d'étanchéité; la figure 3 est une vue de face agrandie de la partie principale de la surface de glissement de la bague d'étan- chéité représentant l'état du mouvement du fluide étanché; la figure 4 est une vue en coupe trans- versale agrandie de la surface de glissement de la bague d'étanchéité; les figures 5 à 7 sont chacune des vues de face d'une surface de glissement conformément à un autre mode de réalisation de la présente invention; la figure 8 est un graphique expérimental représentant la relation entre le nombre de fines rainures formées sur la surface de glissement et l'im- portance de la fuite et la figure 9 est une vue frontale d'une surface de glissement conforme à encore un autre mode de réalisation de la présente invention. Comme représenté dans les figures 1 et 2, la référence 1 désigne un dispositif d'étanchéité mécanique du type à pression externe avec sa partie principale représentée à plus grande échelle et ce dispositif a pour but d'empêcher la fuite d'un fluide (A) qui se trouve autour de la périphérie externe du dispositif d'étanchéité mécanique 1 par un contact de glissement entre une bague formant siège 3 fixée dans un logement 2 et une bague d'étanchéité 5 fixée sur un arbre rotatif 4 qui est inséré à travers la bague formant siège 3, la bague d'étanchéité 5 étant adaptée pour tourner avec l'arbre rotatif 4. Sur la surface de glissement 5a de la bague d'étan- chéité 5 sont formées de fines rainures 6 qui, dans la direc- tion du diamètre de la surface de glissement 5a, sont inclinées vers l'arrière par rapport à la direction de rotation (flèche B) de la bague d'étanchéité 5 et aussi de fines rainures 7 qui sont inclinées vers l'avant, les deux extrémités des fines rainures 6 et 7 atteignant respectivement l'extrémité périphérique externe 5b et l'extrémité périphérique interne c de la surface de glissement 5a de sorte que les fines rainures 6 et 7 se croisent. Les fines rainures 7 inclinées vers l'avant agissent pour former un film fluide de. lubri- fication sur la surface de glissement 5a (fonction de lubri- fication) tandis que les fines rainures 6 inclinées vers l'arrière agissent pour étancher le fluide par utilisation d'une action de pompage (fonction d'étanchéité). Comme re- présenté à plus grande échelle dans la figure 3, le fluide étanché (A) est introduit dans les fines rainures 7 par suite de la rotation de la surface de glissement 5a et de sa vis- cosité puis il se déplace tout en restant dans les fines rainures 7 et il forme un film fluide de lubrification, ce par quoi il assure la lubrification entre la surface de glissement 5a de la bague d'étanchéité 5 et la surface de glissement 3a de la bague formant siège 3. Le fluide étanché (A) qui s'est déplacé le long des fines rainures 7 inclinées vers l'avant passe ensuite dans les fines rainures 6 inclinées vers l'arrière aux points o les fines rainures 6 et 7 se croisent, de sorte que le fluide (A) est évacué vers le côté entrée (le côté de l'extrémité périphérique externe 5b) sans atteindre l'extrémité périphérique interne 5c de la surface de glissement 5a. Dans ce mode de réalisation, en conséquence, les fines rainures 7 inclinées vers l'avant et les fines rainures 6 inclinées vers l'arrière peuvent être formées de manière à assurer une capacité d'évacuation surpassant la quantité de fluide introduite entre les surfaces de glis- sement 3a et 5a, à savoir de telle manière que la capacité d'évacuation des fines rainures 6 inclinées vers l'arrière soit supérieure à la capacité d'admission des fines rainures 7 inclinées vers l'avant, en d'autres termes le nombre, la forme ou la direction des fines rainures 6 inclinées vers l'arrière doivent être prédominants. Dans ce cas, pour em- pêcher complètement la fuite du fluide à travers le dispositif d'étanchéité mécanique 1, pendant que la machine n'est pas en fonctionnement, il est nécessaire d'empêcher la sortie du fluide par les fines rainures 6 et 7 et ce but peut être atteint en usinant les fines rainures 6 et 7 dans la gamme comprise entre 0,2p et 0,7FL. Dans le cas o un certain degré de fuite est permis, lorsque le temps d'arrêt du fonctionnement est court ou lorsque le fluide n'arrive pas à la partie du dispositif d'étanchéité mécanique ou lorsque la pression est relachée durant la durée de l'arrêt de la machine, les fines rainures 6 et 7 peuvent être usinées dans la gamme comprise entre l,0ji et 3JL, gamme à l'intérieur de laquelle on peut obtenir l'effet d'étanchéité usuel. Ainsi les fines rainures 6 et 7 sont contrôlées pour se trouver dans la gamme comprise entre 0,2Rt et 3JL selon leurs buts. Dans le dispositif d'étanchéité mécanique 1 présentant la construction cidessus, les fines rainures 6 et 7 nécessaires pour contrôler le débit, sont formées sur la surface de glis- sement 5a de la bague d'étanchéité 5, et il est souhaitable que ces fines rainures puissent être formées de la manière suivante. Selon un premier procédé, les fines rainures 6 et 7 qui ont été dessinées au préalable selon le but dans lequel elles sont utilisées sont photo-imprimées sur la surface de glis- sement 5a de la bague d'étanchéité, surface sur laquelle a été appliquée au préalable un matériau photosensible, puis on procède à une gravure chimique pour former les fines rainures 6 et 7 sur la surface de glissement 5a. Selon un second procédé les fines rainures 6 et 7 qui ont été dessinées au préalable selon le but dans lequel elles sont utilisées sont tracées au tampon ou imprimées avec des encres sur la surface de glissement 5a de la bague d'étanchéité après quoi on procède à une gravure chimique pour former les fines rainures 6 et 7 sur la surface de glissement 5a. Selon un troisième procédé, les fines rainures 6 et 7 sont formées en applicant un marquage sur la surface de glissement a qui a été soumise à un procédé de meulage ou de polissage. Il est préférable que les fines rainures 6 et 7 ainsi formées par ce procédé de marquage soit ensuite soumises à un polis- sage. Comme résultat, la forme en coupe des fines rainures 6 et 7 devient celle représentée dans la figure 4, à savoir des parties renflées 8 sont formées sur les deux bords des fines rainures 6 et 7, ce par quoi un film fluide de lubri- fication est formé facilement sur la surface de glissement a et cet effet est spécifique du procédé de la présente invention. Ainsi, conformément aux procédés mentionnés ci-dessus pour former la surface de glissement, toutes formes et tous nombres de fines rainures 6 et 7 peuvent être formées avec une très grande précision à l'intérieur de la gamme susceptible d'être représentée par un tracé dessiné et, comme représenté dans les figures 5 à 7, l'équilibre entre l'importance de la fuite et la durabilité requise du dispositif d'étanchéité mécanique 1, peut être maintenu de manière à assurer toutes les fois la meilleure durabilité de l'étanchéité en sélectionnant convenablement la disposition relative des fines rainures 6 inclinées vers l'arrière et des fines rainures 7 inclinées vers l'avant. La figure 8 est un graphique expérimental représentant la relation entre le nombre des fines rainures 6 et 7 et l'impor- tance de la fuite, graphique à partir duquel on voit clairement que ces deux éléments sont en corrélation l'un avec l'autre. Dans cette expérience, le nombre des fines rainures inclinées vers l'arrière 6 a été fixé à 16 tandis que le nombre de fines rainures inclinées vers l'avant 7 a été modifié progres- sivement. La vitesse de rotation de l'arbre et la pression du fluide étaient respectivement de 5.000t/mn et 6.105 Pa.. Dans la description ci-dessus, le dispositif d'étanchéité mécanique 1 était du type à pression externe et les fines rainures 6 et 7 étaient formées sur la surface de glissement a de la bague d'étanchéité 5 du dispositif d'étanchéité mécanique 1. Cependant dans la présente invention et sans être limité à une telle construction, le dispositif d'étan- chéité mécanique 1 peut être du type à pression interne et les fines rainures 6 et 7 peuvent être formées sur la surface de glissement 3a de la bague formant siège 3-du dispositif d'étanchéité mécanique 1. Dans ce cas, cependant, les fines rainures 7 inclinées vers l'avant assurent l'effet d'étanchéité et les fines rainures 6 inclinées vers l'arrière assurent l'effet de lubrification. En conséquence, comme représenté dans la figure 9, le nombre des fines rainures 6 et le nombre des fines rainures 7 nécessaires par rapport à la direction de rotation relative (flèche B) sont inversés. De plus, comme représenté, la forme en plan des fines rainures 6 et 7 peut être rectiligne, curviligne ou une forme mixte de lignes droites et courbes. Bien que des modes de réalisation préférentiels de la présente invention aient été décrits, il est évident que diverses autres modifications peuvent être faites sans sortir du cadre de la présente invention. En conséquence, on souhaite couvrir par les revendications ci-jointes toutes modifications avec lesquelles les effets de la présente invention peuvent être obtenus en utilisant des constructions sensiblement similaires ou tombant dans le cadre de la présente invention. Revendications 1. Un dispositif d'étanchéité mécanique comportant une bague formant siège fixée dans un logement, une bague d'étanchéité fixée sur un arbre rotatif qui est inséré à travers ladite bague formant siège, ladite bague d'étanchéité étant adaptée pour tourner avec l'arbre rotatif, ladite bague de siège et ladite bague d'étanchéité étant amenées en contact glissant l'une avec l'autre pour empêcher la fuite d'un fluide caractérisé en ce qu'un nombre prédéterminé de fines rainures (6,7) sont formées sur la surface de glissement (3a,5a) soit de la bague formant siège (3), soit de la bague d'étanchéité (5), une partie (6) des fines rainures étant inclinée vers l'avant et l'autre partie (7) étant inclinée vers l'arrière par rapport à la direction de rotation relative B de ladite surface de glissement, les deux extrémités de chaque groupe de fines rainures (6,7) atteignant respectivement l'extrémité périphérique externe (5b) et l'extrémité périphérique interne (5c) de la surface de glissement et, parmi les fines rainures, celles (6) se trouvant dans la direction de rotation relative pour effectuer une action de pompage étant formées de manière prédominante. 2. Un procédé de formation de la surface de glissement soit de la bague formant siège (3), soit de la bague d'étanchéité (5) dans un dispositif d'étanchéité mécanique pour empêcher la fuite d'un fluide par contact glissant entre les'deux surfaces de glissement de la bague formant siège et de la bague d'étanchéité, caractérisé en ce.qu'on trace par photoimpression un nombre prédéterminé de fines rainures d'étanchéité et de lubrification sur ladite surface de glissement sur laquelle a été appliqué par avance un matériau photosensible, une partie (6) des fines rainures étant inclinées. vers l'avant et l'autre partie (7) étant inclinées vers l'arrière par rapport à'la direction de rotation relative B de ladite surface de glissement, les deux extrémités de chacune des fines rainures atteignant /10 respectivement l'extrémité périphérique externe (5b) et l'ex- trémité périphérique interne (5c) de ladite surface de glis- sement et on soumet ensuite l'impression des fines rainures (6,7) à un traitement de gravure chimique pour former les fines rainures sur ladite surface de glissement. 3. Un procédé de formation de la surface de glissement soit de la bague formant siège,soit de la bague d'étanchéité dans un dispositif d'étanchéité mécanique pour empêcher la fuite d'un fluide par contact glissant entre les deux surfaces de glissement de la bague formant siège et de la bague d'é- tanchéité, caractérisé en ce qu'on trace au tampon ou imprime avec des encres un nombre prédéterminé de fines rainures (6,7) d'étan- chéité et de lubrification sur la surface de glissement, une partie (6) des fines rainures étant inclinées vers l'avant et le reste (7) étant inclinées vers l'arrière par rapport à la direction de rotation relative B de ladite surface de glissement, les deux extrémités de chacune des fines rainures atteignant respectivement l'extrémité périphérique externe (5b) et l'extrémité périphérique interne (5c) de ladite surface de glissement et on soumet ensuite les fines rainures ainsi tracées ou imprimées à un traitement de gravure chimique pour former les fines rainures (6,7) sur la surface de glis- sement.