Brevet FR2503822A1 — publié le 19821015

NOUVELLE CUUEN'IllEE tE.CRNIQUE La nouvelle garniture mécanique, qui fait l'objet de l'invention, concerne, de la façon la plus générale, un moyen nouveau permettant de réaliser une jonction dynamique étanche entre un arbre rotatif et une paroi transversée par cet arbre. De façon plus précise, la nouvelle garniture mécanique suivant I' in- vention s'applique, en particulier, à la réalisation de jonctions étanches à l'eau froide ou chaude, ainsi qu'aux solutions aqueuses telles que, par exemple, celles contenant des savons et/ou d'autres détergents, et aussi à la réalisation de jonctions étanches à d'autres fluides non aqueux, liquides ou gazeux, toutes les fois que la pression différentielle subie par le joint est faible et, de préférence, inférieure à environ 1 bar. De très nombreux modèles de garnitures mécaniques ont été proposés. Les figures ci-après permettront de mieux comprendre les caractéristiques d'une garniture mécanique de type classique pour ce type d'application et celles de la garniture mécanique qui fait l'objet de l'invention Liste des figures - Figure 1 : garniture mécanique de type classique. - Figure 2 : garniture mécanique suivant l'invention. - Figure 3 : garniture mécanique suivant l'invention comportant un moyen d'entraînement en rotation de la gaine. - Figure 4 : vue en coupe suivant AA de la figure 3. La figure 7 représente une garniture mécanique d'un modèle courant permettant d'assurer l'étanchéité à l'eau d'un passage d'arbre à travers une paroi. Cette garniture comporte une manchette souple (1) en elastonere qui entoure l'arbre (2) et est entraînée en rotation par celui-ci. Cette manchette comporte à son extrémité arrière un rebord élastique (3), relativement épais, serré sur l'arbre (2), qui assure à la fois l'étanchéité et uIle liaison sans glissement entre l'arbre et la manchette qui accompagne l'arbre dans sa rotation.La manchette (1) comporte > au-delà du rebord (3), une zone souple (4) à paroi plus mince, de diamètre accru, qui entoure un ressort hélicoïdal (5) et vient recouvrir à son extrémité avant une bague de frottement (6) disposée de façon coaxiale par rapport à l'arbre (2). Une ceinture métallique (7) applique de façon étanche le bord aminci de la manchette (1) sur la bague de frottement (6) qui est donc entraînée également en rotation par l'arbre. Cette bague présente une surface soigneusement polie, suivant un plan perpendiculaire à l'axe de rotation,qui glisse sur une contreface (9) également plane et polie, solidarisée par un scellement (8) avec la paroi fixe (10). Le ressort hélicoidal (5) net en appui la bague (6) sur la contreface (9) pour assurer l'étanchéité. La zone souple (4) de la manchette est conformée de façon à pouvoir permettre le maintien en appui de la bague (6) sur la contreface (9) malgré les légers déplacements axiaux de l'arbre par rapport à la paroi fixe (10). Les matériaux constituant la ceinture (7), la bague de frottement (0 ct la contreface (9) sont choisis en fonction de la nature des fluides avec lesquels ils sont en contact. Un tel dispositif, lorsque les matériaux de frottement sont bien choisis, conserve une excellente étanchéité pendant de très longues périodes. Il présente, cependant, l'inconvénient d'une relative complexité et nécessite l'utilisation de matières coûteuses pour réaliser non seulement les pièces de frottement, mais aussi le ressort et la ceinture métallique. Les pièces métalliques doivent, en effet, être choisies pour présenter une tenue suffisante à la corrosion tout en ayant les caractEris- tiques voulues pour cette application. Pour les parties frottantes, on utilise très souvent des matériaux non métalliques, tels que par exemple le graphite moulé, le carbure de tungstène ou encore la stéa tite ou l'alumine. Le choix du couple bague de frottement (6) contreface (9) est très important pour la durée de vie du système. Dans le cas, en particulier, de la bague de frottement, un matériau tel que le carbure de tungstène présente une très grande résistance à l'usure et une très bonne tenue à la corrosion, mais est relativement lourd et nécessite donc un bon guidage et une force d'application sur la contreface suffisante.Les matériaux du type matière plastique chargée en graphite sont plus légers, mais relativement fragiles,et doivent donc être utilisés sous forme de pièces de relativement forte section dont le raccordement à la manchette est relativement délicat. On a recherché la possibilité de réaliser un nouveau type de garniture mécanique, de structure considérablement simplifiée, comportant un nombre très réduit de pièces différentes en matériaux relativement peu coûteux, et présentant cependant une excellente tenue en service et une durée d'utilisation comparable à celle des garnitures beaucoup plus complexes et coûteuses qui viennent d'être décrites. La nouvelle garniture mécanique pour passage d'arbre rotatif à travers une paroi, qui fait l'objet de l'invention, comporte une manchette annulaire en élastomère qui entoure l'arbre, l'une des extrémités de cette manchette, éloignée de la paroi, présentant un rebord arrière qui enserre l'arbre et est solidaire de façon étanche avec celui-ci, l'autre extrémité de cette manchette proche de la paroi comportant un rebord avant disposé de façon coaxiale par rapport à l'arbre qui est recouvert d'une gaine métallique dont la face frontale plane et perpendiculaire à l'axe de l'arbre est en contact glissant avec une portée plane solidaire de la paroi, la manchette comportant entre ses deux extrémités une zone ondulée qui se trouve en compression élastique dans les conditions d'utilisation et assure l'application de la face frontale de la gagne sur la portée. Les exemples ci-après décrivent des modes non limlitatifs de réalisation de la garniture suivant l'invention. EXEMPLE 1 Comme on le voit sur la figure 2, la garniture mécanique siivaiit 1' in- vention comporte une manchette annulaire (11) en élastomère qui entourc un arbre rotatif (13). L'extrémité de cette manchette (11) éloignée de la paroi fixe (21) comporte un rebord arrière (12) serré sur l'arbre (13) de façon à assurer l'étanchéité et l'entraînement en rotation de la manchette sans glissement angulaire notable. Pour empêcher tout glissement axial,le le long de l'arbre (13), du rebord (12), celui-ci prend appui sur la face (14) d'une butée annulaire rigide solidaire de l'arbre. Au-delà du rebord (12), la manchette (11) comporte en direction de la paroi (21) une zone ondulée (15) d'épaisseur plus faible, qui permet une déformation élastique de la manchette (11),dans la direction parallèle à l'axe de l'arbre, en extension ou en compression. Dans cette zone, comme le montre la figure 2, la manchette (11) présente une section ondulée en S ou en Z. Etant donné la très faible course nécessaire et, comme le montre la figure 2, une seule ondulation en est le plus souvent suffisante. Mais, dans certains cas où on prévoit des déplacements plus importants de l'arbre (13) suivant son axe, par rapport à la paroi, on peut envisager de réaliser une manchette comportant plusieurs ondulations successives. Les dimensions de la manchette (11) et, en particulier, la lmuteur, la forme et ltépaisseur des ondulations sont déterminées par l'hotirte de l'art en fonction de la force élastique de rappel que doit exercer la manchette mise au préalable en compression, au niveau de la portée de joint. Il est pour celà nécessaire de prendre en compte les caractéristiques mécaniques de l'élastomère utilisé, la valeur maximale des déplacements relatifs de l'arbre suivant son axe par rapport à la paroi (21) ainsi que le sens et la hauteur de la pression différentielle qui peut s'exercer sur la manchette. Infin, en avant de la zone ondulée (15), la manchette (11) comporte un rebord avant (16) recouvert d'une gaine métallique anmllaile (17) dont l'épaisseur est faible par rapport à celle clll rebord. Ia face frontale (18) de cette gaine métallique est plane ct parfaitement polie. Elle vient en appui glissant et élastique sur la portée plane (19) de la pièce annulaire (20) qui constitue la contreface. Cette pièce (20) est emboîtée dans un logement de la paroi (21), une matière de scellement (22) assurant une liaison étanche entre la pièce (20) et la paroi (21). Une pression de serrage suffisante de la face (18) de la gaine métallique annulaire sur la portée (19) de la pièce (20) est assurée en ajustant la distance entre la face (14) de la butée radiale et la portée (19), de façon que la zone ondulée (15) de la manchette (11) soit en compression élastique. L'application de la face (18) sur la portée (19) avec une force suffisante pour assurer l'étanchéité de ce joint tournant est donc obtenue uniquement en utilisant la force de rappel de la manchette en élastomère qui joue donc le double rôle de ressort et de paroi étanche. Les essais ont montré qu'unie telle garniture mécanique donne d'excellents résultats, à condition que la gaine métallique annulaire (17) soit extrêmement légère de façon a n1 apporter qu'une inertie supplémentaire très faible par rapport à l'inertie propre de la manchette élastique dans la zone où elle fonctionne comme un ressort. Par ailleurs, cette gaine métallique, de relativement grande surface extérieure, permet une évacuation facile et rapide de la chaleur dégagée par le frottement. En effet, les parois latérales de cette gaine sont en contact sur leur face externe avec les fluides gazeux ou liquides qui entourent la garnitrure, et le mouvement de rotation favorise les échanges thermiques. Dans la pratique, on utilise, le plus souvent, pour réaliser cette gaine des pièces à paroi mince en matériaux résistant à la corrosion tels que certains aciers inoxydables, ou éventuellement, certains alliages à base d'aluminium, de nickel ou de cuivre. La face frontale (lys) peut, éventuellement, être traitée pour lui conférer une dureté suffisante. La mise en forme de la gaine peut être effectuée suivant la nature des métaux ou alliages utilisés par formage à froid, par moulage, par métallurgie des poudres et par tout autre méthode. La contreface peut être réalisee en toute matière convenable permettant d'assurer un contact glissant étanche avec très faible usure. On peut utiliser, pour la réalisation de cette contreface, des matériaux métalliques, tels que certains alliages antifriction, préparés par exemple par métallurgie des poudres, ou certaines céramiques ou encore des composites comportant par exemple une matière carbonée telle que de la poudre de graphite liée par une résine. De tels composites ont, en particulier, l'avantage de présenter un très bon coefficient de frottement vis-a-vis de nombreux types de surfaces métalliques, même 9 sec. Un mode avantageux de réalisation de la garniture mécanique suivant l'invention utilise, pour la réalisation de la manchette souple, un élastomère à base de nitrile acrylique, ou encore à base de silicones. La gaine métallique est en acier inoxydable austénitique ou ferritique et la contreface est constituée par une matière plastique phénolique, chargée de poudre de graphite. Les essais ont montré qu'un tel dispositif permettait de réaliser, au niveau de la gaine annulaire , une vitesse de glissement pouvant atteindre 10 m/sec. sans usure notable. EXEMPLE 2. Il peut se produire, au repos, un certain collage de la face frontale (18) de la gaine (17) sur la portée (19) de la contreface (20). Un tel collage risque de provoquer une torsion de la manchette. Suivant une caractéristique complémentaire de la garniture mécanique suivant l'invention, une liaison en rotation est établie entre la gaine métallique et l'arbre, qui empêche le déplacement angulaire de la gaine par rapport à l'arbre sans faire obstacle aux déplacements de la gaine par rapport à l'arbre parallèlement à l'axe de celui-ci. Les figures 3 et 4 montrent un mode de réalisation de cette liaison. Pour rendre ces figures plus claires, on a représenté seulement une partie de l'arbre et de la manchette avec la gaine métallique. On voit que la manchette (23) est disposée autour de l'arbre (24) de la façon décrite plus haut. A l'avant de la manchette, la gaine (25) recouvre de la façon qui a été décrite plus haut, le rebord (26). Cette gaine est prolongée vers l'intérieur en direction de l'axe par une partie en forme de disque (27), percée d'un trou axial qui entoure l'arbre. Le diamètre de perçage du disque est tel qu'il présente un léger jeu (28) par rapport à l'arbre (24). La liaison en rotation entre ce disque et l'arbre est réalisée grâce à des cannelures (29) (30) usinées dans l'arbre, dans lesquelles s'engagent des ergots (31) (32) qui sont en saillie sur le bord intérieur (33) du disque (27) et, donc, solidaires de la gaine (25). On voit que, de cette façon, en cas de frottement trop important de la face frontale (34) de la gaine métallique sur la portée de la contreface, non représentée > il ne risque pas de se produire une torsion de la manchette. En effet, la liaison en rotation entre l'arbre et la gaine est assurée efficacement par l'engagement des ergots (31) (32) dans les cannelures (29) (30). Par contre, les déplacements, parallèlement à l'axe, de la gaine par rapport à l'arbre, ne sont pas empêchés, les ergots présentant un jeu suffisant pour coulisser librement dans les cannelures. Enfin, le disque (27) permet, si celà est utile, de limiter les déplacements transversaux éventuels de la gaine par rapport à l'axe de l'arbre. Il suffit pour celà d'ajuster le jeu (28) en fonction des besoins de façon bien connue de l'homme de l'art. Il existe de nombreuses variantes possibles pour la réalisation de cette liaison en rotation de la gaine par rapport à l'arbre. En particu- lier, le nombre de cannelures peut être quelconqlle, et, dans bien des cas, une seule cannelure sera suffisante. Cette ou ces cannelures peuvent être réalisées par usinage, mais aussi par d'autres méthodes, sans enlèvement de copeaux, telles que le formage à froid, le matri çage, etc... De même, on pourra utiliser, au lieu d'un disque (27), des rayons reliés à la gaine métallique dont les extrémités, qui regardent vers l'axe, s'engagent dans les cannelures. On pourra aussi disposer sur l'arbre un ou plusieurs reliefs parallèlement aux génératrices venant s'engager dans une ou plusieurs encoches réalisées dans un disque solidaire de la gaine. I1 est aussi possible pour certaines applications, d'inverser le montage de la manchette et de solidariser l'une de ses extrémités, non pas avec l'arbre rotatif, mais avec la paroi traversée par l'arbre. Dans ce cas, l'autre extrémité de la manchette, dont le rebord est recouvert d'une gaine métallique annulaire, est en contact glissant avec une contreface solidaire de l'arbre. Il est également possible dans ce cas, d'assurer une liaison en rotation, si nécessaire, entre la gaine métallique et la paroi, de façon à éviter tout déplacement angulaire de l'une par rapport à l'autre. Une telle liaison pourra être réalisée, par exemple, en disposant autour de la gaine métallique des ergots qui s'engagent dans des cannelures parallèles à l'axe de l'arbre, réalisés dans la paroi ou dans un prolongement annulaire de celle-ci. Bien d'autres modes de réalisation du dispositif suivant l'invention peuvent être envisagés. On peut, en particulier, utiliser une très grande variété d'élastonè- respour réaliser la manchette élastique suivant les conditions opéra- toires prévues. De même, le métal ou l'alliage utilisés pour la gaine sont adaptés aux conditions de frottement et à la nature dti fluides au contact duquel se trouve la garniture. On peut, si nécess;lire, effectuer sur la face frottante de la gaine un traitement tIiermiqte de durcissement, ou encore le clopôt d'wle couche dure résiSt.tIt au frot tement, par projection ou par tout autre méthode. La réalisation de la contreface peut aussi être effectuée de façon analogue. Rn'ENnICATIONS 10/ - Nouvelle garniture mécanique assurant l'étanchéité d'tin pzssnrc d'arbre rotatif à travers une paroi, comportant une manchette en élastomère, l'une des deux extrémités de cette manchette étant solidaire de façon étanche avec l'arbre ou la paroi, caractérisée en ce que l'autre extrémité de la manchette comporte un rebord annulaire recouvert d'une gaine métallique annulaire légère, dont la face frontale plane et perpendiculaire à l'axe de l'arbre est en contact g.lissrnt avec une portée plane solidaire de la paroi ou de l'arbre, la stnchet- te comportant entre ses deux extrémités une zone ondulée qui se trouve en compression élastique dans les conditions d'utilisation. 20/ - Nouvelle garniture mécanique suivant revendication 1, caractérisée en ce que la manchette est en nitrile acrylique ou en silicone, dont les formes et les performances permettent d'éviter l'utilisation d'un ressort. - 30/ - Nouvelle garniture mécanique suivant revendication 1, caractérisée en ce que la gaine métallique mince est en acier inoxydable tel qu'un acier austénitique, ferritique ou martensitique. 40/ - Nouvelle garniture mécanique suivant revendication 3, caractérisée en ce que au moins la face frontale de la gaine est durcie par un traitement approprié. 50/ - Nouvelle garniture mécanique suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la contreface est en matière plastique thermodurcissable, chargée d'une matière carbonée telle que de la poudre de graphite. 6 / - Nouvelle garniture mécanique suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'un moyen de liaison cn rotation est disposé entre la gaine métallique annulaire et l'arbre ou la paroi. 70/ - Nouvelle garniture mécanique suivant revendication 6, caracté risée en ce que le moyen de liaison comporte au moins un ergot solidaire de la gaine métallique, qui s'engage dans au moins une cannelure. 8 / - Nouvelle garniture mécanique suivant revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que le moyen de liaison en rotation comporte un disque solidaire de la gaine métallique qui comporte au moins un ergot qui s'engage dans au moins une cannelure réalisée dans l'arbre ou la paroi, ou un prolongement de celle-ci.